ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН С БОЛЬШИМ ГАЗОВЫМ ФАКТОРОМ
BACKFILL FOR CEMENTING WELLS WITH HIGH GAS RATIO

3
Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным составам, используемым при цементировании обсадных колонн в скважинах, преимущественно, с большим газовым фактором, например, более 100 м/т в условиях нормальных температур (до 50°С).
Известен тампонажный раствор, содержащий цемент, оксиэтилцеллюлозу, добавку на основе полимерных смол - меламинсодержащий продукт, и воду. Дополнительно раствор содержит кремнийорганический продукт - этилсиликатконденсат (патент РФ №2149981, опубл. 2000 г.). Предлагаемый тампонажный раствор может использоваться в условиях до 100°С. Использование в известном тампонажном растворе высоковязких марок оксиэтилцеллюлозы (вязкость 2%-ного раствора которых составляет не менее 6000 МПа·с) позволяет максимально снизить фильтрацию тампонажного раствора. Однако при этом реологические показатели имеют высокие значения, что ограничивает возможность использования тампонажных растворов в условиях нормальных температур (до 50°С) из-за высоких гидравлических сопротивлений при его прокачивании.
Кроме того, используемый в качестве ускорителя этилсиликатконденсат в известном растворе, приводит к неконтролируемому сокращению сроков схватывания и твердения тампонажного раствора при неточном соблюдении его концентрации.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тампонажный раствор, состоящий из цемента, оксиэтилцеллюлозы, полимерной добавки - повторно диспергируемого латексного порошка, выпускаемого под маркой ГАЗБЛОК, пластификатора - сульфированного меламинформальдегида, пеногасителя - кремнийорганической композиции на подложке из двуокиси кремния, и воды (патент РФ №2297437, опубл. 2007 г.)
Указанный тампонажный раствор обладает повышенными показателями адгезионных свойств, прочности на изгиб и сжатие, а также снижением водопроницаемости.
Недостатком указанного известного тампонажного раствора является отсутствие расширения у формируемого цементного камня, что при цементировании скважин с большим газовым фактором может привести к появлению микрозазоров и нарушению изоляционных свойств цементного кольца. Кроме того, вследствие быстрого развития статического напряжения сдвига (СНС) у известного раствора и недостаточной седиментационной устойчивости не обеспечивается предотвращение миграции газа по заколонному пространству.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в предотвращении миграции газа по заколонному пространству после цементирования скважины предлагаемым тампонажным материалом, за счет замедленного развития статического напряжения сдвига, обеспечения седиментационной устойчивости и замедленной фильтрации, при одновременно низкой проницаемости тампонажного материала и цементного камня и его безусадочности.
Указанный технический результат достигается заявляемым тампонажным материалом для цементирования скважин с большим газовым фактором, содержащим портландцемент, оксиэтилцеллюдозу, пластификатор, пеногаситель - модифицированный кремнеорганический реагент ПОЛИЦЕМ ДФ, модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК и воду, новым является то, что он дополнительно содержит расширяющую добавку - окись кальция или гидросульфоалюминат кальция и ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, в качестве пластификатора материал содержит вещество, активным действующим началом которого является сульфированный меламинформальдегид, или продукт конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, или полиэфиркарбоксилаты, при следующем соотношении компонентов, мас.ч:
портландцемент
95,0-99,9
указанная расширяющая добавка
до 5,0
модифицированный сополимер
винилацетата ГАЗБЛОК
1,0-2,0
оксиэтилцеллюлоза
0,3-0,5
указанный пластификатор
0,6-0,8
хлорид кальция
до 2,0
указанный пеногаситель
0,1-0,2
вода
47-52
при этом суммарное массовое содержание сухой смеси цемента и расширяющей добавки составляет 100 мас.ч., а массовое соотношение модифицированного сополимера винилацетата ГАЗБЛОК и расширяющей добавки в материале составляет 1:(2,5÷5,0) соответственно.
В качестве пластификатора, активным действующим началом которого является сульфированный меламинформальдегид, он содержит вещество ЦЕМПЛАСТ МФ.
В качестве пластификатора, активным действующим началом которого является продукт конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, он содержит вещество С 3.
В качестве пластификатора, активным действующим началом которого являются полиэфиркарбоксилаты, он содержит вещество Melflux.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет синергетического эффекта при определенном подборе компонентов (качественном и количественном) в заявляемом тампонажном материале.
Благодаря введению в тампонажный материал указанной расширяющей добавки и одновременно полимерной добавки - модифицированного сополимера винилацетата ГАЗБЛОК, при определенном заявленном их соотношении, происходит уменьшение пористости цементного раствора, снижение водоотдачи, скорости фильтрации, относительной проницаемости и повышение адгезионных показателей за счет увеличения объема тампонажного материала из-за расширяющей добавки и снижения проницаемости тампонажного материала за счет небольшого размера модифицированного сополимера винилацетата ГАЗБЛОК и более низкой его плотности, в сравнении с частицами цемента, что позволит в скважинных условиях предотвратить миграцию газа.
А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими компонентами предлагаемый тампонажный материал будет обладать замедленной фильтрацией, что позволит в промысловых условиях при цементировании исключить прорыв газа при твердении тампонажного материала после установки его в заколонном пространстве скважины.
В качестве расширяющей добавки предложено ввести в предлагаемый материал неорганические соединения - модифицированные окись кальция РУ-1 или гидросульфоалюминат кальция РУ, родственные по своему составу минералам, входящим в состав портландцемента, которые представляют собой модифицированные сульфаты кальция и алюминия.
Введение в предлагаемый тампонажный материал расширяющей добавки указанного вида и в предложенном соотношении позволяет получить расширение тампонажного материала на ранней стадии твердения и формирования тампонажного камня, что позволяет избежать саморазрушения его структуры (образование трещин, снижение прочности).
Важно, чтобы процесс расширения завершился на стадии раннего твердения тампонажного камня, так как длительный процесс твердения сопровождается саморазрушением тампонажного камня. Кроме временного фактора в процессе расширения, не менее важное значение имеет объем расширения, который выражается как линейное расширение тампонажного камня. Так как цель процесса расширения заключается в образовании более плотного контакта цементного камня с вмещающими поверхностями, то линейное расширение тампонажного камня не должно превышать 1,0%. Больший объем расширения в тампонажном камне может привести к потере его прочности.
Наличие в составе ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция, позволяет обеспечить приемлемые сроки схватывания и твердения тампонажного материала, и одновременно с этим, по-видимому, оказывает химическое влияние как на расширяющую добавку с образованием комплексных соединений, обеспечивающих равномерное расширение материала на стадии набора его прочности, причем без разрушения структуры образующегося камня, так и на модифицированный сополимер винилацета ГАЗБЛОК. Это также позволяет сократить сроки схватывания до необходимых для конкретной скважины пределов и при этом получить равномерное расширение тампонажного камня, не оказывающее отрицательного влияния на его прочностные свойства.
Использование в предлагаемом тампонажном материале пластификатора одного из указанных трех видов позволяет модифицировать структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного (цементного) камня. Кроме того, в совокупности с другими компонентами это приводит к замедленному развитию статического напряжения сдвига, что в промысловых условиях обеспечит передачу давления твердеющим тампонажным материалом и невозможность прорыва газовых флюидов в течение длительного времени.
Введение в предлагаемый тампонажный материал пеногасителя марки ПОЛИЦЕМ ДФ обеспечивает снижение пенообразования, раннюю и надежную стабилизацию плотности тампонажного материала, которая должна быть рассчитана с использованием компьютерных программ моделирования процесса цементирования для недопущения притока газа во время его закачивания и поддержания давления в критических зонах в требуемом интервале между поровым давлением и давлением гидроразрыва, как во время цементирования, так и сразу же после него. Любые погрешности в плотности, допущенные при затворении тампонажного материала на поверхности, могут привести к неконтролируемым изменениям важнейших его показателей: реологии и времени схватывания.
Для получения заявляемого тампонажного материала в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-СС-1 (ГОСТ 1581-96).
- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ марки Н и С ТУ2231-009-40912231-2003;
- пластификатор, активной составляющей которого является сульфированный меламинформальдегид ЦЕМПЛАСТ МФ, с рН 1%-го водного раствора 8,5-10,5; по ТУ 2223-011-40912231-2003;
- пластификатор, активной составляющей которого является продукт конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, С-3 по ТУ 6-360204229-625-90.
- пластификатор, активной составляющей которого являются полиэфиркарбоксилаты Melflux - водоредуцирующая добавка по степени пластификации по ГОСТ 24211-91 относится к группе суперпластифицирующих, производитель: Degussa Constraction Polymers (SKW Trostberg, Германия); порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок; насыпная плотность - 400-600 г/л; потери при нагревании - макс. 2,0 мас.%; 20% раствор при 20°С имеет рН=6,5-8,5. Особенности:
- высокоэффективный диспергатор;
- снижает усадку;
- эффективен в широком диапазоне температур;
- ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция;
- пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;
- расширяющая добавка - аморфная окись кальция марок РУ-1, по ТУ 2123-020-53501222-2001;
- расширяющая добавка гидросульфоалюминат кальция марок РУ по ТУ 2157-034-40912231-2005;
- модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК по ТУ 2458-055-40912231-2009.
- вода техническая.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример: Для получения предлагаемого тампонажного материала в лабораторных условиях брали 520 г воды технической, 950 г портландцемента; 50 г расширяющей добавки окиси кальция; 20 г хлористого кальция; 4 г оксиэтилцеллюлозы ГИДРОЦЕМ Н; 6 г пластификатора ЦЕМПЛАСТ МФ, 2 г пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ и 20 г модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК. В результате был получен тампонажный материал со следующим содержанием компонентов, масс.ч: портландцемент 95,0; расширяющая добавка - окись кальция РУ-1 - 5,0; модифицированный сополимер винилацетата марки ГАЗБЛОК - 2,0; хлорид кальция 2,0; оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ Н - 0,4; пластификатор - сульфированный меламинформальдегид ЦЕМПЛАСТ МФ - 0,6; пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - 0,2; вода 52,0.
Тампонажные материалы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства тампонажного материала:
3
- плотность, г/см
- фильтратоотдача за 30 мин при ΔР=0,7 МПа, мл
- водоотделение, мл
- прочность цементного камня на изгиб/сжатие через 2 сут. хранения, МПа, а также определяли следующие свойства тампонажного камня:
- время загустевания до 30 В с, ч-мин
- проницаемость цементного камня, мД
- усилие выталкивания цементного камня из металлической обоймы, МПа
Кроме того, по методике, описанной в докладе Муна и Ванга (SPE Paper #55650) /1/ производилось определение статического напряжения сдвига (СНС) с помощью Анализатора Статического Напряжения Сдвига Chandler Engineering Model 5265 (SGSA). В результате испытаний определялось время формирования статического напряжения сдвига 1200 1b/100 ft, мин.
На следующем этапе проводились испытания по возможности прорыва газа через твердеющий цементный раствор. С этой целью проектировался тест миграции флюида (FMA), разработанный методом уменьшения масштаба с учетом термобарических условий скважины, описанный Beirute и Cheung (SPE 19522) /2/. Тест миграции флюида проводился с использованием Анализатора Миграции Флюида Chandler Engineering Модель 7150 (FMA) - лабораторного прибора для тестов рецептур тампонажных материалов с целью использования в управлении притоков пластовых флюидов после цементирования. Аппарат моделирует условия скважины (температуру, гидростатическое давление, пластовое давление, и градиент давления, вызывающий приток флюида через столб тампонажного состава).
Данные об компонентном составе исследованных тампонажных материалов приведены в таблице 1, а данные об их свойствах - в таблице 2.
Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый компонентный состав позволяет получать тампонажные материалы, характеризующиеся следующими преимуществами перед известными:
- высокая седиментационная устойчивость, (водоотделение - 0);
- замедленное развитие статического напряжения сдвига (145-257 мин);
- низкий объем фильтрации при сниженной ее скорости (16-32 мл);
- улучшенные адгезионные показатели, усилие выталкивания образцов (1,32-1,64 МПа);
- низкая проницаемость цементного камня (0,41-0,54 мД).
Выбор количественных пределов компонентов обусловлен следующим: при соотношении компонентов менее и более указанных концентраций (табл.2, п.6) ухудшаются технологические свойства тампонажных материалов (фильтрация и время формирования СНС), что приводит к невозможности обеспечения предотвращения прорыва газа через твердеющий тампонажный материал и сформированный из него цементный камень.
Благодаря указанным свойствам, предлагаемые тампонажные материалы позволят в промысловых условиях предотвратить возможность прорыва газа при цементировании обсадных колонн в скважинах с большим газовым фактором.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Акустический метод для определения статического напряжения сдвига цементного раствора. Jeff Moon, P.E., Steven Wang, SPE 55650.
th
2. Beirute, R.M. and Cheung, P.R.: "A Scale-Down Laboratory Test Procedure for Tailoring to Specific Well Conditions, the Selection of Cement Recipes to Control Formation Fluids Migration After Cementing," SPE 19522, 64 SPE Annual Technical Conference, San Antonio, Texas, October 8-11, 1989.
Таблица 1
Данные о компонентном составе предлагаемого и известного тампонажных материалов
№
Компоненты, мас.%
Портландцемент
Расширяющая добавка
Ускоритель сроков схватывания CaCl<sub>2</sub>
Оксиэти лцеллюлоза
Пластификатор
Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ
Модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК
Вода
Предлагаемый тампонажный материал
1
97
3
0,5
0,5
0,8
0,1
1,0
47
2
95
5
2,0
0,3
0,6
0,1
2,0
52
3
96
4
2,0
0,5
0,7
0,2
1,5
49
4
96
4
2,0
0,4
0,6
0,2
2,0
52
5
96
4
1,5
0,4
0,6
0,1
1,5
51
6
100
6
2,0
0,3
0,8
0,2
2,0
47
Известный тампонажный материал
7
100
-
-
0,3
0,3
0,2
4
44
8
100
-
-
0,2
0,5
0,2
2
44
Примечание:
1. В качестве пластификатора использовали в опытах 1, 3 - С-3; в опыте 4 - Melflux; в остальных - ЦЕМПЛАСТ МФ.
2. В качестве понизителя фильтрации в опытах 2, 4, 6 - использовали оксиэтилцеллюлозу ГИДРОЦЕМ марки С; в остальных - ГИДРОЦЕМ марки Н.
3. В качестве расширяющей добавки в опытах 1, 3, 5 использовали гидросульфоалюминат кальция РУ; в опытах 2, 4, использовали окись кальция РУ-1.
Таблица 2
Данные о свойствах тампонажных материалов, затворенных на предлагаемом и известном тампонажных материалах
Номер опыта из табл.1
Свойства тампонажного раствора
Свойства тампонажного камня
Плотность, г/см<sup>3</sup>,
Фильтратоотдача за 30 мин при ΔР=0,7 МПа, мл
Водоотделение, мл
Время формирования статического напряжения сдвига 1200 1b/100 ft, мин
Наличие перетока газа
Время загустевания до 30 Bс, ч-мин
Предел прочности при изгибе/сжатии, МПа
Проницаемость цементного камня, мД
Усилие выталкивания образцов, МПа
Для предлагаемого тампонажного материала
1
1,90
26
0
257
нет
4-40
3,6/9,8
0,46
1,32
2
1,86
22
0
154
нет
3-40
3,9/11,2
0,54
1,61
3
1,87
28
0
233
нет
4-15
4,1/13,4
0,47
1,53
4
1,87
16
0
168
нет
4-35
4,0/13,1
0,49
1,47
5
1,89
20
0
245
нет
4-30
3,7/12,1
0,44
1,54
6
1,90
32
0
135
нет
3-30
4,2/12,8
0,41
1,64
Для известного тампонажного материала
7
1,93
56
2,0
96
есть
4-20
4,48/13,25
0,61
0,09
8
1,93
42
4,0
72
есть
4-00
4,67/13,25
0,51
0,13