ПРИМЕНЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ CSH В ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН
USE OF CSH SUSPENSIONS IN CEMENTING OF WELLS

Эта заявка на патент имеет приоритет рассматриваемой предварительной заявки на патент США Регистрационного номера заявки 61/326253, поданной 02/21/2010, включенной сюда в полном объеме посредством ссылки.
Настоящее изобретение относится к применению суспензий CSH (calcium silicate hydrate) в разработке, эксплуатации и завершении подземных отложений минерального масла и природного газа и в глубоких скважинах.
Подземные отложения минерального масла, природного газа и водные месторождения часто находятся под высоким давлением. Бурение в таких формированиях требует, чтобы давление циркулирующих жидкостей, находящихся в стволе скважины, было достаточно высоким, чтобы эффективно противодействовать давлению подземных формирований и, таким образом, предотвращать неконтролируемое появление жидкостей формирований в скважинах.
Как правило, скважины представляют собой выровненный участок под участком со стальными трубами. Кольцевой зазор между обсадными трубами и подземным формированием затем заполняют цементом. Это может проводиться путем нагнетания жидкого цементного теста непосредственно в кольцевой зазор или через обсадные трубы скважины в скважину для того, чтобы затем течь назад в этот кольцевой зазор в результате оказанного давления. Отвержденный цемент, во-первых, препятствует тому, чтобы в скважине неконтролируемым образом появлялись жидкости формирования, и, во-вторых, препятствует тому, чтобы жидкости формирования беспрепятственно проникали в другие формирования.
Температурные условия отложений значительно изменяются. Температуры в поверхностно-близких площадях областей вечной мерзлоты, таких как, например, Аляска, Канада и Сибирь, и в шельфовых скважинах в высоких широтах могут быть ниже точки замерзания и могут составить 400°С в случае геотермических колодцев. Поэтому поведение схватывания применяемого жидкого цементного теста должно всегда быть адаптировано к преобладающим условиям. В то время как замедлители в основном требуются при повышенных температурах, ускорители схватывания часто должны использоваться при низких температурах. Кроме того, применение добавок суперпластификаторов и/или добавок, снижающих водоотдачу, известных по существу в предшествующем уровне техники в применяемом жидком цементном тесте, может привести к продлению времени схватывания, что аналогично требует применение ускорителей.
2
Согласно Erik B. Nelson, Well Cementing, Schlumberger Educational Services, Sugar Land, Texas, 1990, глава 3-3, хлорид кальция без сомнения является наиболее часто используемым, наиболее эффективным и самым экономичным ускорителем схватывания для портландцементов. CaCl, как правило, используется в концентрациях 2-4% мнац (мас.%, в пересчете на цементную фракцию). К сожалению, при концентрациях выше 6% мнац результаты становятся непредвиденными и могут происходить преждевременные реакции схватывания. Кроме того, есть риск коррозии колонны обсадных труб ионами хлорида.
Задачей настоящего изобретения поэтому было существенно избежать недостатки, связанные с предыдущим уровнем техники. В частности была потребность в альтернативных ускорителях, у которых нет вышеупомянутых недостатков.
Эта задача была достигнута при помощи признаков пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы относятся к предпочтительным вариантам осуществления.
WO 2010/026155 A1 описывает композиции ускорителя отверждения, которые в дополнение к растворимому в воде гребенчатому полимеру, подходящему как суперпластификатор для гидравлических связующих веществ, также включают частицы гидрата силиката кальция подходящего размера (см., например, пункты формулы 40-52 описания WO).
Сейчас неожиданно было найдено, что такие композиции также могут быть применены в качестве композиций ускорителя схватывания для неорганических связующих веществ в разработке, эксплуатации и завершении подземных отложений минерального масла и природного газа и в глубоких скважинах.
Настоящее изобретение соответственно относится к применению композиции ускорителя схватывания для неорганических связующих веществ, которая включает по меньшей мере один водорастворимый гребенчатый полимер, подходящий в качестве суперпластификатора для гидравлических связующих веществ и частицы гидрата силиката кальция в разработке, эксплуатации и завершении подземных отложений минерального масла и природного газа и в глубоких скважинах.
Композиция ускорителя схватывания здесь применяется или в виде суспензии, предпочтительно в виде водной суспензии, или в порошкообразной форме.
Гребенчатый полимер предпочтительно представляет собой сополимер, который имеет боковые цепи, включающие полиэфирные функциональные группы так же, как и кислотные функциональные группы, которые присутствуют на основной цепи. Он получен, например, свободнорадикальной сополимеризацией кислотных мономеров и полиэфирных макромономеров, весь сополимер содержит по меньшей мере 45 мол. %, предпочтительно по меньшей мере 80 мол. %, структурных единиц, производных от кислотных мономеров и/или полиэфирных макромономеров.
Гребенчатый полимер предпочтительно включает структурные единицы, производные от (мет)акриловой кислоты, малеиновой кислоты, полиалкиленгликольвиниловых эфиров, полиалкиленгликольаллиловых эфиров и/или полиалкиленгликоль(мет)акрилатов. Для детального обсуждения подходящих структурных единиц ссылка сделана на пункты формулы 47-49 WO 2010/026155 A1. Подходящие гребенчатые полимеры преимущественно имеют средние молекулярные массы (Mw) от 5000 до 200000 г/моль, предпочтительно от 10000 до 80000 г/моль и в особенности от 20000 до 70000 г/моль, измеренные при помощи гельпроникающей хроматографии.
В дополнение к упомянутому гребенчатому полимеру также могут присутствовать поликонденсаты, в особенности описанные в пунктах формулы 28-33 и 50 заявки WO 2010/026155 A1.
В применяемом гидрате силиката кальция, молярное отношение кальция к кремнию предпочтительно составляет от 0.6 до 2.0, в особенности от 1.1 до 1.8. Молярное отношение кальция к воде в гидрате силиката кальция предпочтительно составляет от 0.6 до 6, особенно предпочтительно от 0.6 до 2.0 и в особенности от 0.8 до 2.0.
Частицы применяемого гидрата силиката кальция преимущественно получены реакцией водорастворимого соединения кальция с водорастворимым силикатным соединением, реакцию предпочтительно проводят в присутствии водного раствора водорастворимого гребенчатого полимера, подходящего в качестве суперпластификатора для гидравлических связующих веществ. В отношении дополнительных деталей подходящего способа получения ссылка сделана на пункты формулы 1-38 WO 2010/026155 A1.
Подходящие частицы гидрата силиката кальция преимущественно является меньше чем 5 мкм, предпочтительно меньше чем 1 мкм, более предпочтительно меньше чем 500 нм, особенно предпочтительно меньше чем 200 нм и в особенности меньше чем 100 нм.
Предпочтительно, портландцементы, кальциевоалюминатные цементы, гипс, ангидрит, доменный шлак, шлаковый песок, летучая зола, кварцевая пыль, метакаолин, природные и синтетические пуццоланы и/или кальцинированный нефтяной сланец, предпочтительно портландцементы, являются подходящими в качестве неорганических связующих веществ, схватывание которых ускоряется согласно изобретению.
Эти связующие вещества преимущественно применяются в форме жидкого цементного теста, величина вода/цемент предпочтительно находится в диапазоне от 0.2 до 1.0, в особенности в диапазоне от 0.3 до 0.6.
Одной областью применения, которая рассматривается в особенности согласно изобретению, является цементирование скважин минерального масла и природного газа, в особенности в областях многолетнемерзлых пород и в шельфовом секторе.
2
2
2
2
Здесь применение согласно изобретению ускоряет схватывание жидкого цементного теста. В то же время скорость отверждения жидкого цементного теста выгодно увеличивается. Кроме того, время, за которое статистическая прочность геля отверждаемого жидкого цементного теста увеличивается от 100 фунт/100 фут (4.88 кг/м) до 500 фунт/100 фут (24.4 кг/м), выгодно сокращается. Это выгодно особенно в цементировании скважины, так как отверждаемое жидкое цементное тесто имеет тенденцию раскалываться при среднем диапазоне прочности геля из-за возрастания пузырьков газа. Этот диапазон быстро проходится согласно изобретению.
Композиция ускорителя схватывания согласно изобретению выгодно применяется вместе с другими добавками общеупотребительными в цементировании скважины, в особенности суперпластификаторами, влагопоглощающими агентами и/или модифицирующими реологию добавками.
Настоящее изобретение будет теперь объяснено более детально на основе следующего рабочего примера с ссылкой на фиг.1. Здесь:
Фиг.1 показывает увеличение прочности на сжатие различного жидкого цементного теста как функцию времени.
Пример применения 1
Получение жидкого цементного теста проводили согласно описанию API 10, участок 5 и приложение A. В этих целях:
700 г цемента (Lafarge, класс H)
266 г водопроводной воды
3.5 г Liquiment K3F (суперпластификатор, продукт BASF Construction Polymers GmbH)
3.5 г Polytrol FL 34 (добавка, снижающая водоотдачу, продукт BASF
Construction Polymers GmbH)
1.0 г трибутилфосфата (противовспениватель)
2
были гомогенно смешаны. К образцам были добавлены или без добавок (пустое значение), 0.80% мнац CaCl или различные количества X-Seed 100 (продукт BASF Construction Polymers GmbH; водная суспензия гидрата силиката кальция, размер частиц <100 нм, содержание твердых частиц около 21 мас.%, активная часть гидрата силиката кальция около 7 мас.%, применяемый гребенчатый полимер: MVA2500 и EPPR312, также коммерческие продукты BASF). X-Seed 100 были добавлены в количестве 0.07% мнац, 0.15% мнац, 0.30% мнац и 1.50% мнац в пересчете в каждом случае на активную часть гидрата силиката кальция.
2
2
2
2
Образцы были измерены на анализаторе статистической прочности геля (Chandler Engineering) при температуре 23°C и давлении 1000 psi (около 69 бар). Время, за которое статистическая прочность геля образцов увеличилась от 100 фунт/100 фут (4.88 кг/м) до 500 фунт/100 фут (24.4 кг/м), представлена в таблице 1.
Таблица 1
Образец
Время [мин]
Пустое значение
6.5
0.80% мнац CaCl<sub>2</sub>
44.0
0.07% мнацХ-Seed 100
52.5
0.15% мнацХ-Seed 100
38.0
0.30% мнацХ-Seed 100
13.5
1.50% мнацХ-Seed 100
15.5
Кроме того, было измерено изменение прочности на сжатие со временем. Результаты показаны в графической форме на фиг.1.
2
Очевидно, что суспензия гидрата силиката кальция ускоряет увеличение прочности на сжатие до большей степени в более низкой дозе, чем CaCl, за то же время, за которое статистическая прочность геля образцов проходит через критический диапазон, который существенно сокращается.