ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
CEMENT SLURRY FOR CEMENTING OIL AND GAS WELLS

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании нефтяных и газовых скважин.
Известен тампонажный раствор, содержащий тампонажный цемент и добавку, набухающую при контакте с пластовыми флюидами (углеводородами, водой или солевыми растворами и их смесями) в случае повреждения цементной матрицы, в котором упомянутый набухающий компонент представляет собой эластомер, компаундированный с водной инвертной эмульсией, содержащей частицы полимера (см. заявка WO 2011/131306 А1, 27.10.2011) [1]. Этот тампонажный раствор предназначен для цементирования скважин, его недостатком является низкая растекаемость цементного теста, ограничивающая его применение при цементировании обсадных колонн в условиях малых кольцевых зазоров.
Наиболее близким аналогом к изобретению по своей технологической сущности является тампонажный раствор для цементирования нефтяных, газовых, геотермальных и других скважин, содержащий цемент и по меньшей мере добавку одного вещества, которое набухает при контакте с водой, поступающей из продуктивного пласта при нарушении целостности цементного кольца, образуя физический барьер в зоне структурного нарушения, примерами такого материала являются частицы суперабсорбирующего материала (см. пат. US 2007/0204765 А1) [2].
Недостатком этого раствора является большое водоотделение тампонажного раствора, что может быть причиной образования каналов в цементном кольце при цементировании обсадных колонн с большим отходом ствола скважины от вертикали.
Задачей изобретения является разработка технологичного тампонажного раствора, цементный камень которого обладает способностью восстанавливать герметичность цементного кольца при образовании в нем микротрещин и микрозазоров при контакте с водой. У тампонажного раствора должно отсутствовать водоотделение, а его растекаемость позволять произвести цементирование обсадных колонн скважин без осложнений.
Поставленная задача достигается введением в тампонажный цемент добавок.
Сущность изобретения заключается в том, что тампонажный раствор включает портландцемент, пенетрирующую добавку, понизитель водоотдачи, пластификатор, пеногаситель и воду, отличается тем, что в качестве пенетрирующей добавки он содержит «ПенетронАдмикс» (производства ООО «Пенетрон», г. Екатеринбург, выпускаемого по ТУ 5745-001-77921756-2006), в основном состоящий из монокальциевого алюмината СаО·Al2O3, диалюмината кальция СаО·2Al2O3, полугидрата гипса CaSO4·0,5H2O, клинкерных минералов C3S и С3А, а также Са(ОН)2(см. Отчет о НИР «Состав продуктов твердения цементного камня до и после нанесения проникающей капиллярной смеси «Пенетрон» - Екатеринбург: ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2010 г. - 43 с.), в качестве понизителя водоотдачи - любой из водорастворимых эфиров целлюлозы, в качестве пластификатора - лигносульфонат, в качестве пеногасителя - трибутилфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- портландцемент - 100
- пенетрирующая добавка«ПенетронАдмикс» - 3,0 сверх 100
- водорастворимый эфир целлюлозы - 0,03-0,1 сверх 100
- лигносульфонат - 0,3-0,7 сверх 100
- трибутилфосфат - 0,01-0,1 сверх 100
вода до водоцементного отношения - 0,38-0,42.
Из патентной и научно-технической литературы нам не известны тампонажные материалы, содержащие совокупность указанных выше компонентов в предложенном качественном соотношении, что позволяет сделать вывод о новизне заявляемого технического решения.
Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат состоит в том, что входящие в состав тампонажного раствора компоненты в указанных количествах в совокупности обеспечивают восстановление целостности цементного кольца при образовании в нем микротрещин и микрозазоров при контакте цементного камня с водой, снижают водоотделение цементного раствора, обеспечивают удовлетворительную растекаемость раствора.
Указанная пенетрирующая добавка восстанавливает целостность цементного кольца в затрубном пространстве скважин при образовании в нем микротрещин и микрозазоров (при контакте цементного камня с водой). За счет равномерного распределения в толще цементного кольца частицы добавки «ПенетронАдмикс», растворяясь в воде, вступают в реакцию с ионными комплексами кальция и алюминия, различными оксидами и солями металлов, содержащимися в цементе. В ходе этих реакций формируются более сложные соли, способные взаимодействовать с водой и создавать нерастворимые кристаллогидраты. Сеть этих кристаллов заполняет капилляры, микротрещины и микрозазоры. При этом кристаллы становятся составной частью структуры цементного кольца.
Заполненные нерастворимыми кристаллами капилляры, микротрещины и микрозазоры не пропускают воду, поскольку в действие приходят силы поверхностного натяжения жидкостей. Сеть объемных кристаллов, заполняющая капилляры, препятствует фильтрации через них воды, чем восстанавливает целостность цементного кольца.
Эфиры целлюлозы при растворении распадаются в воде на крупные молекулы, которые покрывают частички цементного раствора (адсорбируются на них) и создают вокруг последних защитные слои. При этом повышается гидрофильность цементных частиц и агрегативная устойчивость системы. Макромолекулы таких реагентов, а также слои, образуемые ими на элементарных кристалликах цементного раствора, способствуют увеличению плотности фильтрационных корок, в результате чего снижается водоотделение цементных растворов.
Пластификатор лигносульфонат позволяет получить необходимую растекаемость и подвижность раствора, а трибутилфосфат гасит пену.
Из существующего уровня техники нам не известно, что данная композиция в тампонажном растворе обеспечивает в совокупности указанные выше свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Тампонажный раствор готовят следующим образом. Приготавливают сухую смесь в заданном количественном соотношении из тампонажного цемента, указанной пенетрирующей добавки, указанного понизителя водоотдачи и указанного пластификатора, трибутилфосфат добавляют в процессе затворения смеси. Тампонажно-технологические свойства полученного тампонажного раствора представлены в таблице.
Как видно из таблицы, тампонажный раствор позволяет достичь поставленной цели: раствор обладает удовлетворительной растекаемостью, отсутствует водоотделение, создаваемые в цементном камне искусственные каналы «залечиваются» при его контакте с водой.
Данный тампонажный раствор был испытан при креплении пяти эксплуатационных нефтяных скважин на Вать-Еганском, Южно-Ягунском и Тевлинско-Русскинском месторождениях Западной Сибири.
Пример применения тампонажного раствора.
Для цементирования одной эксплуатационной колонны на Вать-Еганском месторождении (интервал цементирования 300 м), на базе цеха крепления скважин предварительно была приготовлена сухая тампонажная смесь, в составе:
- портландцемент - 10000 кг (100%);
- пенетрирующая добавка «ПенетронАдмикс» - 300 кг (3% сверх 100);
- карбоксиметилцеллюлоза - 5,0 кг (0,05% сверх 100%);
- лигносульфонат технический - 50 кг (0,5% сверх 100%).
При водоцементном отношении 0,38 было произведено затворение смеси, трибутилфосфат - 4,0 кг (0,04% сверх 100%) добавлялся в раствор при его затворении.
После ожидания затвердевания цемента проводились стандартные геофизические исследования на предмет определения качества крепления в контактных зонах цементный камень - горная порода и цементный камень - стенки колонны, высота подъема тампонажного раствора и его однородность в заколонном пространстве по плотности.
Результаты исследований по всем пяти скважинам - положительные.
Источники информации
1. Заявка на изобретение, опубликованная на основании договора о патентной кооперации WO 2011/131306 А1.
2. Патент US 2007/0204765 А1.
3. Отчет о НИР «Состав продуктов твердения цементного камня до и после нанесения проникающей капиллярной смеси «Пенетрон» - Екатеринбург: ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2010 г. - 43 с.