ПОЛИМЕРЦЕМЕНТНЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИН
POLYMER-CEMENT BACKFILLING SOLUTION FOR LOW TEMPERATURE WELLS

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, а конкретно к тампонажным материалам с температурным диапазоном эксплуатации от 0 до 60°С, и может быть использовано на предприятиях нефтяной и газовой промышленности.
Известна цементная тампонажная композиция, содержащая в своем составе следующие ингредиенты (вес.ч.): цемент - 100; оксиэтилцеллюлоза - 0,3-0,5; меламиносодержащий продукт - 0,5-1,0; вода - 40-50. / В.Г.Татауров, О.Г.Кузнецова и др. «Тампонажный раствор», патент РФ №2149981, 1998 г./.
Тампонажная композиция имеет ряд преимуществ, к числу которых относятся низкий показатель фильтрации и высокие реологические характеристики.
Недостатками известного тампонажного раствора являются наличие усадки отвержденного камня, низкая адгезия к поверхности обсадной колонны и к стенкам скважин, недостаточная прочность на изгиб и недостаточный градиент давления, который выдерживает тампонажный материал, не допуская прорыва пластовых флюидов.
Ближайшим техническим решением, выбранным авторами за прототип, является безусадочная полимерцементная тампонажная композиция, содержащая портландцемент, воду, добавку из двух водорастворимых полимеров, способствующих снижению водоотдачи раствора и увеличению адгезии цементного камня, и минеральную расширяющую добавку, работающую в интервале температур от 60 до 100°С / В.Н.Щукин, В.А.Галустянц, В.А.Котельников, С.М.Путилов, Л.Е.Давыдкина «Полимерцементный тампонажный раствор для нефтяных и газовых скважин», патент РФ 2319722, 2006 г./.
Однако данный тампонажный раствор обладает рядом недостатков:
1. При температурах эксплуатации в интервале 20-55°С отверждение известной тампонажной композиции происходит с усадкой, достигающей 2,5-3,5%. Это приводит к образованию между стенками скважин и отвержденным камнем флюидопроводящих каналов, что снижает изолирующую способность тампонажного раствора.
2. Известный тампонажный состав эффективен только при использовании портландцемента ПТЦ-G-CC-I при температурах эксплуатации свыше 60°С. При применении портландцемента марки ПТЦ-50-I-50 данный состав в границах заявленных концентраций CFL-117 0,4-0,8 вес.ч. обладает временем начала схватывания более 8 часов, что не соответствует требованиям ГОСТ 26798.1-96.
Целью настоящего изобретения является создание безусадочной тампонажной композиции, лишенной указанных недостатков и работающей при низких температурах эксплуатации. Поставленная цель достигается тем, что полимерцементный тампонажный раствор для низкотемпературных скважин, содержащий портландцемент ПТЦ-50-1-50, понизитель водоотдачи - CFL-117, адгезионную добавку - Конкрепол, расширяющую добавку и воду, отличается тем, что в качестве расширяющей добавки он содержит НРС-1М, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
Портландцемент ПТЦ-50-1-50
90-92
CFL-117
0,2-0,3
Конкрепол
1,0
НРС-1М
8-10
Вода
45-50
Указанное соотношение компонентов тампонажного раствора позволяет достигнуть требуемых ГОСТ 26798.1-96 таких показателей, как время начала и окончания схватывания, позволяет сохранить заявленные в известном способе низкие значения водоотдачи и водоотделения, исключить усадку и обеспечить образование расширяющегося цементного камня в оптимальных пределах.
Выбор понизителя водоотдачи CFL-117 обусловлен как высокими структурообразующими свойствами, снижающими более чем на порядок показатель фильтрации при концентрации 0,2-0,3 вес.% (по отношению к цементу), так и тем, что данный полимер работает в цементных смесях как на пресной воде, так и в соленасыщенных растворах. Это особенно важно для месторождений с высокоминерализованной пластовой водой (месторождения в Татарстане, Белоруссии, Казахстане и др.).
Присутствие в композиции устойчивого к полиминеральной агрессии другого полимера Конкрепола (высокомолекулярный N-поливиниламид) в количестве до 1,0 вес.% приводит к 3-кратному увеличению адгезии цементного камня к металлу обсадной трубы.
Для ликвидации усадки, образующейся при гидратации цемента, в состав введена дисперсная известковая смесь НРС-1М, применяемая для горных и буровых работ в качестве расширяющей добавки тампонажных материалов при низких температурах.
Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
1. Тампонажный портландцемент ПТЦ-50-1-50 производства Сухоложского завода, ГОСТ 1581-96.
6
6
2. Понизитель водоотдачи CFL-117 - высокомолекулярный (5,0·10-5,8·10) полиоксиэтилен американской фирмы CLEARWATER Engineered Chemistry. Сертификат ISO 9001, Houston, Texas 77027, 2003 г.
3. Адгезионная добавка «Конкрепол» производства ООО «Оргполимерсинтез СПб», ТУ 9365-001-13803633-03. Согласно Сертификату соответствия №ТЭК RU, ХП 06. Р00832, Свидетельству №РОСС RU.000103ЮЛ00 представляет собой водно-полимерную систему поли-N-виниламида.
4. Минеральная расширяющая добавка НРС-1М производства НПК «ИЗОН», ТУ 5744-001-82475767-08, содержащая 65-95% оксида кальция. Аналог смеси известковой для горных и буровых работ (СИГБ ТУ 5744-002-00782369-00).
5. Расширяющая добавка ДР-100 (на основе оксида кальция) производства НПК «ИЗОН», ТУ 5744-002-82475767-08. Аналог расширяющей добавки RD (ТУ 5744-002-59758749-06).
6. Вода затворения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами.
Примеры 1-3
Приготовление цементных растворов проводилось по стандартной методике, ГОСТ 26798.1-96.
В 50 мл воды вводят 0,2 г CFL-117 и 1,0 г Конкрепола. В полученном гомогенном растворе затворяют 92 г портландцемента ПТЦ-50-1-50, предварительно смешанного с 8 г расширяющей добавки НРС-1М. После тщательного перемешивания состав выдерживают в термостате при 28°С в течение 30 мин, после чего определяют его реологические характеристики. Выбранный режим предварительного прогрева цементного раствора приближен к условиям коагуляционного структурообразования при закачке его в скважину со средней температурой 28°С на глубину до 1600 м. После 7-суточной гидратации определяют физико-механические свойства отвержденного тампонажного материала.
Параллельно для сравнения был приготовлен тампонажный раствор, не содержащий полимерных и расширяющих добавок (контрольный раствор) и цементный раствор, полученный по прототипу.
Структурно-реологические характеристики тампонажных растворов приведены в таблице 1.
3
нач.схват
Прежде всего, обращает на себя внимание то, что для контрольного цементного раствора (пример 1) характерна исключительно высокая водоотдача (>340 см/30 мин) и повышенное водоотделение (по ГОСТ 26798.1-96 допускается не более 3%). Для прототипа (пример 2) все реологические характеристики, за исключением консистенции, соответствуют требованиям ГОСТ, но главный показатель технологических свойств - время пребывания в жидком состоянии (τ) завышен. Если же в композиции берется 0,2 вес.ч. CFL-117 по отношению к цементу, то время начала схватывания полимерцементного раствора сокращается до 6 часов. Однако при этом усадка цементного камня достигает 3,5%.
Это связано с тем, что выбранная в прототипе расширяющая добавка ДР-100 предназначена для температур эксплуатации выше 60°С. При более низких температурах расширение композиции не происходит. Как указывают сами авторы прототипа, разработанный тампонажный раствор предназначен для использования при температурах от 60 до 100°С.
Применение в композиции известковой смеси НРС-1М в количестве 8 вес.ч. по отношению к цементу (пример 3) приводит не только к ликвидации усадки, но и к линейному расширению в объеме 2,87%.
Как известно, линейное расширение тампонажных композиций на основе цемента не должно превышать 3%, в противном случае возникающие в пластовых условиях внутренние напряжения способны разрушить цементный камень.
Примеры 4-6
В таблице 2 приведены результаты изменения структурных характеристик тампонажной композиции в зависимости от состава.
Как видно из табл.2, увеличение концентрации CFL-117 с 0,2 до 0,3 вес.ч. (пример 4) приводит к некоторому снижению водоотдачи. Однако при этом увеличивается время начала и окончания схватывания до 6-7 часов, что является нежелательным. Увеличение содержания в составе композиции расширяющей добавки до 10 вес.ч. (пример 5) не приводит к каким-либо заметным структурным изменениям тампонажного раствора. Можно отметить, что происходит некоторое снижение растекаемости по АзНИИ, но при этом подвижность раствора укладывается в пределы ГОСТ 26798.1-96.
Снижение водоцементного отношения до 0,45 (пример 6) приводит к заметному сокращению времени загустевания тампонажной композиции, снижению растекаемости и увеличению плотности, что не всегда целесообразно.
Примеры 7-9
При исследовании физико-механических характеристик полимерцементных тампонажных составов были приготовлены стандартные образцы (бруски размером 40×40×150 см) и после 7-суточной гидратации при 28°С были проведены их физико-механические испытания. Полученные результаты сравнивались с результатами испытаний стандартных образцов, синтезированных по прототипу (таблица 3).
Как видно из приведенных данных табл.3, цементный камень, полученный по рецептуре примеров 8-9, по своим прочностным характеристикам практически не уступает образцам, полученным по прототипу (пример 7). Заявляемый тампонажный состав обладает высокой прочностью на сжатие и изгиб, высокой адгезией (адгезия стандартной композиции нефть/вода в этих условиях составляет 1,17 МПа). Введение в композицию расширяющей добавки НРС-1М в объеме 8-10 вес.ч. ликвидирует усадку и обеспечивает расширение тампонажной композиции порядка 3%.
изг
сжат
Увеличение содержания НРС-1М до 12% (соотношение цемент/НРС-1М как 88/12, пример 10) приводит к небольшому снижению прочностных характеристик (сравн. Σ и Σ примеров 9 и 10) и к увеличению линейного расширения больше 3%, что, как указывалось выше, является нежелательным. При снижении концентрации НРС-1М в тампонажном составе до 7 вес.ч. (пример 11) наблюдается заметное снижение линейного расширения отвержденного состава, что также является нежелательным.
Таким образом, разработанный безусадочный полимерцементный тампонажный раствор отвечает всем требованиям ГОСТ 26798.1-96, предъявляемым к цементным растворам. Данный раствор может найти применение при проведении различных ремонтно-изоляционных работ на низкотемпературных скважинах и, прежде всего, при первичном цементировании затрубного пространства в интервале продуктивного пласта. Низкая водоотдача и нулевое водоотделение полимерцементного раствора в сочетании с высокой адгезией к металлу обсадной трубы делают его перспективным тампонажным материалом при проведении таких работ как:
- изоляция зон поглощения бурового раствора и зон водопроявлений в скважине;
- ликвидация негерметичности обсадных колонн;
- закупоривание каналов перетока, образовавшихся на отдельных участках между обсадными трубами и цементным камнем;
- изоляция водоносных поглощающих пластов, примыкающих к объекту эксплуатации;
- герметизация резьбовых соединений эксплуатационной колонны.