БУФЕРНАЯ ЖИДКОСТЬ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ПРИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ СКВАЖИНЫ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА, ЗАПОЛНЕННОГО РАССОЛОМ
SPACER FLUID USED IN PACKING-OFF UNDERGROUND RESERVOIR FILLED WITH BRINE

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, в частности к буферным жидкостям (БЖ), используемым при герметизации скважин подземных резервуаров в каменной соли.
Одной из основных задач при проведении работ по восстановлению герметичности технологических скважин подземных резервуаров в каменной соли является необходимость изолировать выработку-емкость большого геометрического объема, заполненную насыщенным хлоридно-натриевым раствором (рассолом), от технологической скважины. Технически такое разделение может быть осуществлено при помощи промежуточного моста, устанавливаемого ниже башмака эксплуатационной колонны в необсаженном стволе скважины. Для установки промежуточного моста могут быть использованы различные механические устройства или БЖ, основное назначение которых отделить рассол от тампонажного раствора.
Анализ существующего уровня техники показал следующее:
- известна БЖ, используемая при проведении ремонта скважин подземных резервуаров в каменной соли, рецептура которой имеет следующее соотношение ингредиентов, мас.%:
Углеводородная жидкость
20-25
Водный раствор хлорида кальция
плотностью 1120 кг/м<sup>3</sup>
74-78,5
Катионный эмульгатор
1,0-1,5,
с содержанием наполнителя - полипропиленового волокна в количестве 0,03-0,05 мас.% от ее объема (см. патент РФ №2352754 от 18.09.2007 г. по кл. E21B 29/00, E21B 33/13, опубл. 20.04.2009 г.).
Недостатком указанной БЖ является недостаточная эффективность герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом. Обусловлено это низкими стабильностью ее фазового состава и несущей способностью, невысокой способностью предотвращать контакт используемого при герметизации скважины тампонажного раствора (цементного раствора) с рассолом, заполняющим подземный резервуар, а также повышенным расходом материальных затрат при проведении работ. БЖ представляет собой эмульсию с наполнителем, являющуюся системой с нестабилизированным фазовым составом из-за большой разницы плотностей дисперсионной среды (водного раствора хлорида кальция) и распределенного в ней наполнителя - полипропиленового волокна как твердой фазы. Этот легкий наполнитель частично всплывает вверх, нарушая однородность и стабильность фазового состава БЖ, а следовательно, ухудшается ее способность служить разделяющим от рассола изолирующим слоем, то есть предотвращать контакт используемого при ремонте тампонажного раствора с рассолом.
3
3
3
3
Согласно приведенной рецептуре в описании изобретения БЖ - это эмульсия плотностью 1046 кг/м. Несмотря на ее высокие структурирующие свойства, она не способна полимеризоваться (отверждаться), вследствие чего плотного контакта со стенками подземного резервуара такая БЖ не может иметь, поэтому доставляемый на ее поверхность тампонажный раствор (цементный раствор) плотностью 900-1000 кг/м по образующимся зазорам может стекать на поверхность рассола. Время отверждения данного тампонажного раствора значительно увеличивается, так как хлорид натрия в концентрации, соответствующей плотности рассола 1200 кг/м, является замедлителем схватывания и твердения цементных суспензий. Таким образом, вышеприведенные обстоятельства указывают на недостаточную эффективность герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом, из-за трудности создания на поверхности БЖ надежного цементного камня из вышеуказанного тампонажного раствора. Кроме того, низкая плотность тампонажного раствора, регламентированная физико-химическими и реологическими свойствами эмульсии как нетвердеющей (неполимеризующейся) системы БЖ, которая должна его удерживать на своей поверхности, обусловлена недостаточной несущей способностью. Это не обеспечивает необходимых прочностных характеристик цементного камня для эффективности проведения работ. Согласно примеру описания, в целях предотвращения взаимного замещения в процессе закачки обратной эмульсии с наполнителем и цементного раствора плотностью 900-1000 кг/м, высоту столба обратной эмульсии с наполнителем принимают равной 10 м, что приводит к росту материальных затрат при проведении работ.
- в качестве прототипа выбрана БЖ, используемая при герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом, рецептура которой имеет следующее соотношение ингредиентов, мас.%:
Дизельное топливо
68
Глина
38
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)
4,
(см. патент РФ №2348793 от 23.05.2007 по кл. E21B 33/14, опубл. 10.03.2009 г.).
Недостатком указанной БЖ является недостаточная эффективность герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом. Обусловлено это низкой стабильностью ее фазового состава и невысокой способностью предотвращать контакт используемого при герметизации скважины тампонажного раствора с рассолом, заполняющим подземный резервуар, недостаточной несущей способностью, а также повышенным расходом материальных затрат при проведении работ по герметизации скважины.
3
3
Дизельное топливо, представляющее собой углеводородную жидкость и являющееся дисперсионной средой БЖ, имеет плотность 720-830 кг/м, что значительно ниже плотности глины (около 2000 кг/м). Поэтому дизельное топливо не способно удерживать глину во взвешенном состоянии за счет ее гравитационного осаждения, что делает БЖ нестабильной. Это осложняет процесс закачки БЖ в скважину и практически исключает возможность ее транспортировки на поверхность заполняющего подземный резервуар рассола как стабильной по составу системы без осаждения (то есть потери) твердой фазы в емкости, где она приготавливалась. Очевидно, что уменьшение в результате этого содержания глины в составе БЖ способствует снижению способности БЖ предотвращать контакт используемого при работах тампонажного раствора с рассолом, заполняющим подземный резервуар, и, как следствие, снижается эффективность проведения герметизации скважины. Являющееся дисперсионной средой дизельное топливо как неполярная углеводородная жидкость не обладает гидрофильностью, необходимой для реализации коллоидно-физических свойств КМЦ и набухания глины. Потому и глина, и КМЦ в среде дизельного топлива проявляют себя как инертные компоненты. При доставке БЖ на поверхность рассола происходит разделение фаз: глина и КМЦ (ингредиенты с большей плотностью), осаждаясь и контактируя с водным раствором хлорида натрия (рассолом, заполняющим подземный резервуар), взаимодействуют с ним и образуют плавающий глинисто-полимерный слой, а дизельное топливо, как самый легкий из компонентов БЖ, всплывает вверх. При этом часть дизельного топлива остается прослойками в образовавшейся глинисто-полимерной массе и на границе ее контакта со стенками резервуара из каменной соли, выполняя роль смазки. По этой причине нет достаточно плотного примыкания создаваемого плавающего изолирующего слоя, находящегося на поверхности рассола, к стенкам подземного резервуара в каменной соли. Данная БЖ характеризуется недостаточными изолирующими свойствами - то есть способностью предотвращать контакт используемого при проведении герметизации скважины тампонажного раствора с рассолом. По имеющимся зазорам тампонажный раствор, подаваемый на образовавшийся плавающий и изолирующий от рассола слой из полимеризовавшейся БЖ, частично уходит на дно резервуара. Образующийся на плавающем слое при твердении закачанного тампонажного раствора цементный камень не имеет плотного контакта со стенками резервуара, так как полностью не изолирован от рассола и на границах контакта с ним характеризуется рыхлой размытой поверхностью. Указанное приводит к перерасходу тампонажного раствора, необходимости его дополнительной закачки, что повышает материальные затраты при проведении работ. Рецептура БЖ в приведенном качественном и количественном содержании ингредиентов не обеспечивает необходимую несущую способность БЖ в результате образования глинисто-полимерного слоя на основе КМЦ, недостаточно прочного для выдерживания нагрузки, создаваемой тампонажным раствором, размещаемым на ее поверхности.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: повышается эффективность герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом за счет использования БЖ с улучшенными технологическими свойствами, обусловленными высокой стабильностью ее фазового состава, способностью предотвращать контакт используемого при проведении герметизации скважины тампонажного раствора с рассолом, повышенной несущей способностью, а также сокращения материальных затрат при проведении работ.
Технический результат достигается с помощью известной БЖ, используемой при герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом, включающей дисперсионную среду, глину и анионный полимер, которая дополнительно содержит полимер акриламида АК 631 и Монасил, а в качестве дисперсионной среды - водную полиуретановую дисперсию марки Аквапол 10, в качестве глины - глинопорошок Бентокон «Супер 200», в качестве анионного полимера - Праестол марки 2510 при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Водная полиуретановая дисперсия
марки Аквапол 10
100
Глинопорошок Бентокон «Супер 200»
9-11
Праестол марки 2510
0,13-0,15
Полимер акриламида АК 631
0,03-0,06
Монасил
0,02-0,05.
Заявляемый состав соответствует условию «новизна».
3
Для приготовления БЖ используют: водную полиуретановую дисперсию марки Аквапол 10 по ТУ 2251-373-10488057-2004 - жидкость молочно-белого цвета плотностью 1007 кг/м с массовой долей сухого вещества 28-32%, pH 6,5-8,5 и вязкостью при 25°С около 100 мПа·с, глинопорошок Бентокон «Супер 200» по ТУ 5751-002-581-56178-02, содержащий, в основном, минерал монтмориллонит (не менее 80%), Праестол марки 2510 производства ЗАО "Компания Москва-Штокхаузен-Пермь" по ТУ 2216-001-40910172-98, полимер акриламида АК-631 по ТУ 6-0200209-912-41-94, Монасил (модифицированный натриевый силикат) марки Н28 В по ТУ 2145-001-75105538-2005 - порошок белого цвета, растворимый в воде.
Совместное использование ингредиентов в заявляемых интервалах приводит к образованию БЖ, обладающей улучшенными технологическими свойствами, обусловленными высокой стабильностью ее фазового состава, способностью предотвращать контакт используемого при проведении герметизации скважины тампонажного раствора с рассолом, повышенной несущей способностью, а также обеспечивает сокращение материальных затрат при проведении работ.
Дисперсионная среда заявляемой БЖ представляет собой водную дисперсию полиуретана с массовой долей сухого вещества 28-32%, то есть содержит достаточное количество воды (68-72%) для активизации процессов гелеобразования в результате гидролиза полимерных компонентов и набухания глинопорошка. Образующаяся глинисто-полимерная система при перемешивании введенных в водную полиуретановую дисперсию марки Аквапол 10 сухих ингредиентов по истечении 1,5-2 часов представляет собой гелеобразную жидкость с пластической вязкостью в пределах 120-144 мПа·с, достаточной для удержания дисперсной фазы (частиц глинопорошка, Монасила и полимеров акриламидов) во взвешенном состоянии по всему объему и для закачки на поверхность рассола в скважину подземного резервуара без осложнений.
…
…
2
6
6
3
3
Высокая стабильность фазового состава БЖ обусловлена следующим. Глинопорошок Бентокон «Супер 200» (далее глинопорошок) представляет собой высококачественный тонкодисперсный натриевый бентонит с размером частиц около 75 мкм. Легко диспергируется и быстро набирает пластическую вязкость, что позволяет обеспечить высокую скорость начала структурообразования с возможностью ее регулирования Праестолом марки 2510. Праестол марки 2510 является сополимером акриламида с акрилатом, придающим полимеру в водном растворе отрицательный заряд и тем самым анионо-активный характер. В результате этого Праестол марки 2510 активно взаимодействует с частицами глинопорошка, ограничивая его полное диспергирование в жидкой среде с быстрым набором вязкости образующимся гелем. Последнее неприемлемо, так как высокая скорость гелеобразования сокращает время приготовления БЖ и ее транспортировки в скважину от технологически требуемого, что значительно осложняет последующее проведение ремонтных работ. Использование данного ингредиента в рецептуре БЖ способствует снижению скорости гелеобразования, своевременной доставке БЖ в скважину, что повышает эффективность проводимых работ с использованием заявляемой БЖ. Праестол марки 2510 как полимер анионного типа замедляет полное диспергирование глинопорошка, обеспечивая технологически необходимое время гелеобразования БЖ 1-2 часа. При этом в приобретении требуемой для стабильности фазового состава БЖ вязкости, обеспечивающей равномерное распределение дисперсной (твердой) фазы по объему, важную роль играет полимер акриламида АК 631. Это полимер неионогенного типа, гидролиз которого в водной среде сопровождается повышением ее вязкости. Кроме того, данный полимер в водном растворе повышает его pH до 8,5-9. Это вызывает выделение азотсодержащих газов в результате воздействия щелочной среды на частицы полиуретанов водной полиуретановой дисперсии марки Аквапол 10, структура элементарного звена которых представлена как -О-R-OCONH-R'-NHCO - (где R - радикал диола; R'=-(CH)- или -CH(CH)-. Полярный характер амидной связи обусловливает чувствительность полиуретанов к полярным соединениям (щелочам).
Образование газовых пузырьков как дополнительной дисперсионной среды БЖ способствует стабилизации ее фазового состава, так как повышает удерживающую способность БЖ в отношении глинопорошка.
Высокая способность БЖ предотвращать контакт тампонажного раствора, используемого при герметизации скважин с рассолом, заполняющим подземный резервуар, обеспечивается совместным взаимодействием используемых в рецептуре БЖ глинопорошка Бентокон «Супер 200», водной полиуретановой дисперсии марки Аквапол 10 с рассолом при участии Монасила в создании равномерно распределенного слоя на поверхности рассола.
Концевые группы алкиламидов полиуретановой дисперсии (аминные и карбоксильные) способны образовывать соли металлов. После доставки БЖ на поверхность рассола по границе ее контакта с ним практически мгновенно образуется содержащая глинистые частицы отвержденная часть, состоящая из быстро взаимодействующих с хлоридом натрия алкиламидов звена полиуретанов Аквапола 10, выше которой БЖ находится в неотвержденном пастообразном состоянии. При этом изолирующий слой пастообразной БЖ, находящийся на поверхности ее затвердевшей части, плотно примыкает к боковой поверхности стенок резервуара, образуя прочный полимерно-глинистый экран для закачки на него тампонажного раствора, используемого при герметизации скважины.
Плотности контакта пастообразной БЖ со стенками резервуара из каменной соли способствует равномерное распределение слоя на рассоле за счет его однородного стабилизированного состава. Кроме того, при взаимодействии продуктов гидролиза Монасила и минеральной составляющей глинопорошка на поверхности стенок резервуара в каменной соли образуется цементирующая пленка из силикатов поливалентных металлов глинистой фракции. Это является дополнительным фактором плотного примыкания слоя БЖ к стенкам резервуара. В совокупности вышеописанное обеспечивает высокую изолирующую способность заявляемого состава БЖ.
3
После полимеризации БЖ до пастообразного состояния на ее поверхность доставляется тампонажный раствор, в зоне контакта которого с БЖ происходит образование пластичной цементно-полимерной массы, обеспечивающей высокую несущую способность всего слоя БЖ, то есть возможность БЖ прочно удерживать без перемещения на своей поверхности столб тампонажного раствора (ρ=1320 кг/м), не менее чем в 2,5 раза превышающий столб БЖ. После затвердения тампонажного раствора образуется цементный мост, являющийся основой для ведения дальнейших работ по герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом.
Учитывая вышесказанное, очевидно, что характер полимеризации БЖ на рассоле обеспечивает образование качественного изолирующего слоя с высокой несущей способностью, предотвращающего потерю закачиваемого на него тампонажного раствора (из-за неплотного примыкания к стенкам резервуара и частичного протекания на дно резервуара), что сокращает материальные затраты и способствует повышению эффективности проведения работ.
Содержание в составе БЖ глинопорошка Бентокон «Супер 200» в количестве менее 9 мас.ч., Праестола марки 2510 более 0,15 мас.ч., полимера акриламида АК 631 более 0,06 мас.ч. не обеспечивает необходимых технологических свойств БЖ в результате увеличения пластической вязкости БЖ, что затрудняет ее своевременную доставку в скважину и равномерность распределения на поверхности рассола, приводит к повышению материальных затрат при проведении работ.
Содержание в составе БЖ Монасила в количестве более 0,05 мас.ч. экономически и технологически нецелесообразно, так как существенного улучшения технологических свойств БЖ не происходит, а содержание Монасила менее 0,02 мас.ч. снижает способность БЖ предотвращать контакт используемого при проведении герметизации скважины тампонажного раствора с рассолом и повышает материальные затраты при проведении работ.
Содержание в составе БЖ глинопорошка Бентокон «Супер 200» в количестве более 11 мас.ч., Праестола марки 2510 менее 0,13 мас.ч., полимера акриламида АК631 менее 0,03 мас.ч. не обеспечивает необходимых технологических свойств БЖ: происходит снижение ее показателей, а также изменение структуры продуктов полимеризации БЖ на поверхности рассола.
Таким образом, согласно вышеуказанному предлагаемой БЖ обеспечивается достижение заявляемого технического результата.
По имеющимся источникам известности не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения по заявленному техническому результату.
Заявляемая БЖ соответствует условию «изобретательского уровня».
Более подробно сущность заявляемого изобретения описывается следующими примерами.
Пример 1 (лабораторный).
Готовят буферную жидкость при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: водная полиуретановая дисперсия марки Аквапол 10 - 100, глинопорошок Бентокон «Супер 200» - 9, Праестол марки 2510 - 0,13, полимер акриламида АК 631 - 0,03, Монасил - 0,02.
3
Для этого в 1000 г (993 мл) водной полиуретановой дисперсии марки Аквапол 10 плотностью 1007 кг/м медленно при перемешивании вводят заранее приготовленную сухую смесь из 90 г глинопорошка Бентокон «Супер 200», 1,3 г Праестола марки 2510, 0,3 г полимера акриламида АК 631 и 0,2 г Монасила. Перемешивают до получения БЖ в виде стабильной однородной органо-минеральной системы без отделения твердой фазы. Определяют технологические свойства БЖ.
Стабильность фазового состава (устойчивость) БЖ в статическом состоянии определяют следующим образом. БЖ заливают в мерный цилиндр объемом 250 мл. Для предотвращения испарения жидкости мерный цилиндр сверху накрывают целлофановой пленкой, которую укрепляют эластичным резиновым кольцом и оставляют в покое на 2 часа. По истечении этого времени по делениям на стенке цилиндра измеряют объем, занимаемый осевшими на дно или всплывшими на поверхность частицами дисперсной фазы БЖ. Стабильность фазового состава БЖ характеризует ее способность удерживать дисперсную фазу по высоте столба без расслаивания, всплытия или осаждения. Стабильность фазового состава БЖ определяют как отношение разности общего объема БЖ и ее объема с отделившейся дисперсной фазой к общему объему заполнившей цилиндр БЖ (250 мл). Расчет этого показателя производят по формуле
,
БЖ
где С - стабильность фазового состава БЖ, %;
1
V - первоначальный общий объем БЖ, мл;
2
V - объем БЖ с неравномерно распределившейся (всплывшей или осевшей) дисперсной фазой, мл.
3
3
Изолирующую способность БЖ определяют следующим образом. Стеклянный стакан, внутренняя поверхность стенок которого покрыта налетом каменной соли, оставшимся после испарения насыщенного раствора хлорида натрия, на 1/3 объема заполняют рассолом плотностью 1200 кг/м. На рассол выливают приготовленную БЖ в объеме, обеспечивающем образование на поверхности рассола полимерно-глинистого изолирующего слоя высотой 3 см. После 3 часов технологического отстоя, необходимого для полимеризации БЖ, на поверхность образовавшегося изолирующего слоя выливают цементный раствор плотностью 1320 кг/м в объеме, необходимом для получения столба цементного раствора-камня высотой не менее чем в 2,5 большей столба БЖ. По истечении 1 часа измеряют высоту столба цементного раствора над изолирующим слоем БЖ.
Изолирующая способность БЖ определяется как отношение разности объемов цементного раствора, помещенного на изолирующий слой БЖ и прошедшего через него, к объему цементного раствора, первоначально налитого на слой БЖ. Расчет этого показателя производится по формуле
,
БЖ
где ИС - изолирующая способность БЖ, %;
1
V - первоначальный объем цементного раствора, мл;
2
V - объем цементного раствора, прошедшего через изолирующий слой БЖ, мл.
3
Несущая способность БЖ характеризует ее способность после полимеризации выдерживать без перемещения на контакте со стенками резервуара нагрузку, создаваемую тампонажным раствором плотностью 1320 кг/м при его размещении на поверхности БЖ. Определяют расчетным путем как удельную нагрузку (кПа/м) исходя из условия образования на рассоле столба БЖ высотой, равной 1,5 диаметра вмещающего сосуда, на поверхность которой после полимеризации доставляется вышеуказанный тампонажный раствор в объеме, не менее чем в 2,5 раза превышающем высоту столба БЖ.
3
БЖ имеет следующие технологические свойства: плотность ρ=1055 кг/м, пластическая вязкость η=120 мПа·с, стабильность фазового состава 97%, изолирующая способность 98%, несущая способность 35,1 кПа/м.
Пример 2.
Готовят буферную жидкость при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: водная полиуретановая дисперсия марки Аквапол 10 - 100, глинопорошок Бентокон «Супер 200» - 10, Праестол марки 2510 - 0,14, полимер акриламида АК 631 - 0,04, Монасил - 0,04.
3
Для этого в 1000 г (993 мл) водной полиуретановой дисперсии марки Аквапол 10 плотностью 1007 кг/м медленно при перемешивании вводят заранее приготовленную сухую смесь из 100 г глинопорошка Бентокон «Супер 200», 1,4 г Праестола марки 2510, 0,4 г полимера акриламида АК 631 и 0,4 г Монасила. Перемешивают до получения БЖ в виде стабильной однородной органо-минеральной системы без отделения твердой фазы. Определяют технологические свойства БЖ.
3
БЖ имеет следующие технологические свойства: плотность ρ=1060 кг/м, пластическая вязкость η=136 мПа·с, стабильность фазового состава 100%, изолирующая способность 100%, несущая способность 37,6 кПа/м.
Пример 3.
Готовят буферную жидкость при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: водная полиуретановая дисперсия марки Аквапол 10 - 100, глинопорошок Бентокон «Супер 200» - 11, Праестол марки 2510 - 0,15, полимер акриламида АК 631 - 0,06, Монасил - 0,05.
3
Для этого в 1000 г (993 мл) водной полиуретановой дисперсии марки Аквапол 10 плотностью 1007 кг/м медленно при перемешивании вводят заранее приготовленную сухую смесь из 110 г глинопорошка Бентокон «Супер 200», 1,5 г Праестола марки 2510, 0,6 г полимера акриламида АК 631 и 0,5 г Монасила. Перемешивают до получения БЖ в виде стабильной однородной органо-минеральной системы без отделения твердой фазы. Определяют технологические свойства БЖ.
3
БЖ имеет следующие технологические свойства: плотность ρ=1065 кг/м, пластическая вязкость η=144 мПа·с, стабильность фазового состава 98%, изолирующая способность 99%, несущая способность 41,5 кПа/м.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию «новизны, изобретательского уровня, промышленной применимости», то есть является патентоспособным.