ФИБРОАРМИРОВАННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ИНТЕРВАЛОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ПЕРФОРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН
FIBRE-REINFORCED PLUGGING MATERIAL FOR CEMENTING PRODUCTION INTERVALS SUBJECT TO PERFORATION DURING WELL DEVELOPMENT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к строительству скважин, в том числе горизонтальных, в частности к тампонажным материалам, используемым для цементирования обсадных колонн в интервалах продуктивных пластов, подверженных перфорационному воздействию в процессе освоения, при ликвидации осложнений в скважинах, связанных с поглощением.
Известен тампонажный состав для крепления скважин на дисперсно-армированной базовой основе [1], содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:
Силикатный и/или хлорсиликатный портландцемент
100
Волластонит и/или волокнистые кристаллы
синтетических гидросиликатов кальция или магния
3,0-8,0
Смесь волокнистых кристаллов природных
или синтетических минералов, или
металлических волокон, или стекловолокон,
или базальтовых волокон с полипропиленовыми,
или капроновыми, или нейлоновыми,
или поливинилспиртовыми волокнами,
взятых в соотношении 1:1-2:1
2,0-4,0
Жидкие кремнийорганические полимеры типа
олигоорганогидросилоксанов
0,05-0,25
Порошкообразные кремнийорганические
соединения типа алилсиликонатов
2,5-8,0
Палыгорскит
2,0-6,0.
Вода для обеспечения водоцементного соотношения (В/Ц)
45-75.
Недостатками указанного известного состава является его высокое водоотделение, с последующим расслоением и низкая растекаемость, затрудняющая закачку тампонажного состава в пологие и горизонтальные скважины.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является тампонажный состав для цементирования скважин [2], приготовленный из базовой основы, содержащей, мас.%:
Цемент
95,0-98,0
Армирующее волокно - полиамидное волокно
или смесь полиамидного волокна с хризотил-асбестом в
соотношении 0,3÷2,0:1
0,5-4,0
Пластификатор ЦЕМПЛАСТ, С-3 или Melflux
0,05-0,2
Оксиэтилцеллюлоза
0,1-0,5
Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ
01-02
Ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция или
хлорид натрия
остальное.
При этом для получения тампонажного состава базовую основу затворяют водой при водоцементном соотношении 0,4-0,6.
Недостатками указанного известного тампонажного состава являются недостаточные технологические характеристики: прочность при разрыве, прочность при сжатии, прочность при изгибе и прочность сцепления. Что в промысловых условиях приведет к образованию трещин в цементном камне, особенно подверженном перфорационному воздействию в процессе освоения.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в придании тампонажному материалу физико-механических свойств, улучшающих его трещиностойкость, в том числе в условиях жестких динамических воздействий при цементировании продуктивных интервалов, подверженных перфорации в процессе освоения скважин, путем армирования состава на микро- и макроуровне.
Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым фиброармированным тампонажным материалом для цементирования продуктивных интервалов, подверженных перфорации в процессе освоения скважин, включающим цемент, армирующее волокно, оксиэтилцеллюлозу, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ, или С-3, или Melflux, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ, хлорид кальция, и воду, при этом новым является то, что материал дополнительно содержит полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402, а в качестве армирующего волокна - полиакриловое, или полипропиленовое, или базальтовое волокно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цемент
66,0-69,0
Армирующее волокно - полиакриловое,
или полипропиленовое, или базальтовое
0,08-0,33
Оксиэтилцеллюлоза
0,07-0,2
Суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ,
или С-3, или Melflux
0,08-0,33
Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ
0,08-0,13
Хлорид кальция
0,08-1,3
Полидиаллилдиметиламмоний хлорид
ВПК-402
0,08
Вода
остальное.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора компонентов (качественного и количественного) в заявляемом тампонажном материале, т.е. этот результат носит синергетический характер.
Благодаря введению в тампонажный материал оксиэтилцеллюлозы обеспечивается низкая фильтрация, снимаются седиментационные процессы, что обеспечивает нулевое водоотделение полученных тампонажных растворов. А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими компонентами указанный показатель фильтрации приближается к уровню фильтрации буровых растворов, что позволит в промысловых условиях при цементировании проницаемых интервалов исключить преждевременное загустевание тампонажного материала.
Использование в предлагаемом материале в качестве армирующего волокна полиакрилового, или полипропиленового, или базальтового волокна позволяет, наряду с повышением упругопластичных (прочность при разрыве) свойств тампонажного материала, увеличить прочностные свойства образующегося тампонажного камня (при сжатии, изгибе и сцеплении с породой). Волокна способствуют повышению трещиностойкости цементного камня, так как эффективно поглощают и релаксируют динамические напряжения. Указанные волокна в зоне поглощения образуют сетевую мостовую перемычку, способствующую быстрому формированию фильтрационной корки, препятствующей уходу цементного раствора в пласт. Волокна обеспечивают образование в цементном камне микроарматуры, которая определяет способность матрицы тампонажного камня воспринимать растягивающие и ударные нагрузки. Благодаря этому тампонажный состав становится универсальным и может использоваться в различных пластовых условиях:
- для цементирования продуктивных пластов эксплуатационных колонн, в том числе хвостовиков;
- для ликвидации поглощений в проницаемых отложениях;
- для цементирования технических и эксплуатационных колонн, в том числе хвостовиков, где разрез скважин сложен высокопроницаемыми пластами, что исключает возможность использования облегченных тампонажных составов и устройств для ступенчатого цементирования.
Последнее качество является особенно ценным, т.к. позволяет использовать один и тот же материал при различных циклах строительства скважин, что повышает эффективность строительства.
Введение в предлагаемый материал пеногасителя обеспечивает понижение пенообразования, что благоприятно сказывается на работе цементировочного оборудования, а также позволяет получить более качественный цементный камень.
Использование суперпластификатора в предлагаемом тампонажном материале позволяет модифицировать структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного камня. Кроме того, введенная в состав пластифицирующая добавка позволяет регулировать реологические параметры цементного раствора в период закачки его в скважины. Оптимальное соотношение фиброармирующих добавок с пластифицирующей добавкой позволяет решить проблему, связанную с необходимостью нахождения рационального соотношения между механическими свойствами и реологией.
Введение в предлагаемый тампонажный состав полидиаллилдиметиламмоний хлорида ВПК-402 обеспечивает армирование тампонажного камня на макроуровне. Кроме того реагент оказывает дополнительное пластифицирующее воздействие на цементный раствор.
Для получения заявляемого тампонажного материала в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1;
- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ Н, С ТУ 2231-009-40912231-2003;
- суперпластификатор марок: ЦЕМПЛАСТ МФ (сульфированный меламинформальдегид) по ТУ 2223-011-40912231-2003; С-3 (натриевая соль продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом по по ТУ 6-360204229-625-90)
и Meluux - полиэфиркарбоксилаты (поликарбоновые эфиры), водоредуцирующая добавка по степени пластификации в соответствии с ГОСТ 242111-91 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 pH=6,5-8,5. Особенности: - высокоэффективный диспергатор; - снижает усадку; - эффективен в широком диапазоне температур;
- армирующее волокно:
- полиакриловое волокно: Panacea, FPAC 236/040, выпускается ЗАО «ЕвроХим-1» (г.Москва), Фиброцем Б, ТУ 2458-058-40912231-2009;
- полипропиленовое волокно: ВСМ П-6 (СиАйрлайд г.Челябинск) ТУ 2272-006-13429727-2007;
- фибра базальтовая ТУ 5769-004-80104765-2008;
- пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;
- хлорид кальция ГОСТ 450-77 с изменениями 1, 2, 3;
2
5
- полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402 - высокомолекулярный катионный водорастворимый полимер линейно-циклической структуры, получаемый путем радикальной полимеризации мономера диметилдиаллиламмоний хлорида; по ТУ 2227-184-00203312-98 (с изм. 1, 2, 3, 4), характеризуется очень высоким катионным зарядом при относительно невысокой молекулярной массе - от 10 тыс. до 1 млн, устойчив к действию температур от -40°С до +60°С, неограниченно растворим в воде, вязкость не менее 2 мм/с, водородный показатель pH 5-8, молекулярная масса полимера составляет 3*10;
- вода техническая.
Возможность реализации заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример. Для приготовления предлагаемого фиброармированного тампонажного материала в лабораторных условиях брали 1000 г цемента ПЦТ I-G-CC-1, добавляли полиакриловое волокно 2,3 г, оксиэтилцеллюлозы ГИДРОЦЕМ С - 2,3 г, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ 1,3 г, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ 2,3 г, хлорид кальция 10 г. Полученную тампонажную смесь тщательно перемешивали. Для приготовления жидкости затворения брали техническую воду в количестве 440 мл и растворяли в ней в количестве 1,3 г полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402. Полученную тампонажную смесь затворяли приготовленной жидкостью затворения. В результате получили тампонажный состав со следующим соотношением компонентов, масс.%: цемент - 68,5; полиакриловое волокно - 0,15; оксиэтилцеллюлоза - 0,15; суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ - 0,08; ПОЛИЦЕМ ДФ - 0,15; хлорид кальция - 0,69; ВПК-402 - 0,08; вода - 30,2. Тампонажные составы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В лабораторных условиях были исследованы следующие свойства заявляемого тампонажного состава:
- плотность;
- растекаемость;
- пластическая вязкость;
- динамическое напряжение сдвига;
- статическое напряжение сдвига;
- фильтратоотдача;
- водоотделение;
- сроки загустевания цементного раствора;
- сроки схватывания тампонажного материала;
а также исследовали следующие свойства цементного камня, полученного из указанного состава:
- предел прочности при разрыве,
- предел прочности при изгибе;
- предел прочности при сжатии;
- усилие выталкивания образца.
Данные об исследованных тампонажных материалах приведены в таблице 1; данные об их свойствах - в таблице 2.
Таблица 1
Данные о содержании компонентов в тампонажных материалах
№ п/п
Компоненты тампонажного материала, мас.%
Цемент
Армирующее волокно
Оксиэтилцеллюлоза
Суперпластификатор
Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ
Хлорид кальция
ВПК-402
Вода
1
65,0
0,08
0,07
0,08
0,08
1,3
0,33
32,93
2
68,0
0,10
0,1
0,33
0,10
0,4
0,10
30,87
3
68,0
0,20
0,07
0,10
0,13
0,7
0,25
30,15
4
66,0
0,33
0,2
0,25
0,10
1,0
0,08
31,54
5
66,0
0,25
0,15
0,20
0,13
0,1
0,20
32,97
6
67,0
0,30
0,2
0,10
0,10
1,0
0,10
30,2
7
69,0
0,10
0,18
0,3
0,10
0,08
0,08
30,16
Примечание: 1. В качестве армирующего волокна использовали в опытах 2, 3-полиакриловое волокно, в опытах 1, 6, 7 - полипропиленовое волокно, в остальных - базальтовое волокно.
2. В качестве суперпластификатора были использованы в опытах 2, 4, 7. - ЦЕМПЛАСТ, в опыте 5 - С-3, в остальных - Melflux.
Данные, приведенные в таблице 2, подтверждают, что заявляемый тампонажный материал отвечает требуемому качеству по технологическим свойствам как состава, так и цементного камня, полученного из него.
Предлагаемый материал имеет следующие преимущества перед известными:
- повышение плотности контакта (усилие выталкивания) на 85%;
- повышение предела прочности при сжатии на 50%;
- повышение прочности при изгибе на 27%;
- повышение прочности при разрыве на 11%.
Благодаря указанным свойствам, при использовании предлагаемого тампонажного материала в промысловых условиях будет обеспечиваться высокое качество строительства скважин за счет:
- повышенной трещиностойкости цементного камня;
- предотвращения распространения трещин, образующихся в цементном камне в период перфорации, в зону высоких давлений;
- формирования прочного цементного кольца при цементировании горизонтальных скважин с малыми кольцевыми зазорами;
- возможности закачки и доставки тампонажного материала в интервал установки за счет оптимальных реологических характеристик;
- изоляция и тампонирование проницаемых интервалов за счет формирования мостовой перемычки, способствующей быстрому формированию фильтрационной корки.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1006713, опубл. 1983 г.
2. Патент РФ №2337124, опубл. 2008 г.