Способ ремонтно-изоляционных работ в скважине
METHOD FOR REPAIR AND INSULATION WORK IN THE WELL

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ремонтно-изоляционным работам в нагнетательных и добывающих скважинах, и может быть использовано для изоляции промытых зон и ликвидации заколонных перетоков.
Известен способ применения тампонажного раствора для цементирования нефтяных и газовых скважин (патент RU № 2652040, МПК C09K 8/473, E21B 33/138, C04B 24/38, C04B 103/20, C04B 111/20, C04B 103/50, опубл. 24.04.2018 в бюл. № 12), содержащего портландцемент ПЦТ I-G, тонкодисперсное минеральное вяжущее «MIKRODUR R-U», стеклянные полые микросферы из химически стойкого натрий-боросиликатного стекла 3М™ HGS4000, пенетрирующая добавка «Пенетрон Адмикс», замедлителя сроков схватывания цемента CR-221 (сульфо-метелированный лигнин), понизителя водоотдачи CFL-160 (на основе модифицированных производных полисахаридов), пеногасителя D-air 5000 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент ПЦТ I-G - 56,0,
MIKRODUR R-U - 30,0,
HGS4000 - 14,0,
Пенетрон Адмикс - 2,0 сверх 100%,
CR-221 - 0,3 сверх 100%,
CFL-160 - 0,2 сверх 100%,
D-air 5000 - 0,05 сверх 100%,
вода - 70,0 сверх 100%.
Недостатками способа являются его низкая эффективность, связанная с низкими прочностными свойствами образующегося камня, высокой проницаемостью получаемого тампонажного камня из-за высокого содержания воды в составе и наличия микросфер.
Также известен способ цементирования нефтяных и газовых скважин тампонажным раствором (патент RU № 2542013, МПК C09K 8/467, опубл. 20.02.2015 в бюл. № 5), включающий приготовление тампонажного раствора путем приготовления сухой смеси в заданном количественном соотношении из тампонажного цемента, пенетрирующей добавки, понизителя водоотдачи и пластификатора, дальнейшее затворение приготовленной сухой смеси с добавлением пеногасителя в процессе затворения смеси и его закачку, при этом в качестве пенетрирующей добавки тампонажный раствор включает «ПенетронАдмикс», в качестве понизителя водоотдачи - любой из водорастворимых эфиров целлюлозы, в качестве пластификатора - лигносульфонат, в качестве пеногасителя - трибутилфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 100, указанная пенетрирующая добавка 3,0 сверх 100, указанный понизитель водоотдачи - 0,03-0,1 сверх 100, указанный пластификатор - 0,3-0,7 сверх 100, трибутилфосфат - 0,01-0,1 сверх 100, вода до водоцементного отношения - 0,38-0,42.
Недостатками известного способа являются неоднородность по проницаемости, прочности образующегося цементного камня при такой последовательности приготовления тампонажного раствора, за счет того, что приготовление указанного раствора через получение сухой смеси и добавление в процессе затворения сухой смеси, как показывает практика, не обеспечивает равномерность технологических свойств состава в процессе его затворения и закачивания (растекаемость, плотность и т.д), за счет не полного и разного времени растворения модифицирующих добавок к портландцементу: понизителя водоотдачи, пластификатора, пеногасителя (трибутилфосфат - жидкость плохо растворимая в воде 0,042 г в 100 мл  при 16 °C, Химический энциклопедический словарь, гл. редактор И.Л. Кнунянц, Москва, 1983 г.). Кроме того, из-за разницы насыпных плотностей и удельного веса содержащихся компонентов, затруднительно получить однородную сухую смесь. В свою очередь это влияет на эффективность состава, образующегося камня (неоднородность по прочности и проницаемости) и успешность ремонтно-изоляционных работ (РИР). Кроме того, ассортимент минеральной добавки в составе узкий и ограничен применением одной добавки. А применение в качестве пластификатора -лигносульфоната влечет за собой добавление пеногасителя, что приводит к увеличению стоимости способа.
3
3
Наиболее близким является способ ремонтно-изоляционных работ в скважине (патент RU № 2750414, МПК C09K 8/467, E21B 33/138, опубл. 28.06.2021 в бюл. № 19), включающий предварительное приготовление жидкости затворения путем растворения в пресной воде в заданном количественном соотношении нитрилотриметилфосфоновой кислоты, понизителя водоотдачи, пластификатора и далее в процессе затворения раствора приготовление тампонажного раствора путем добавления портландцемента, минеральной добавки «ПенетронАдмикс», оксида магния при определенном соотношении компонентов, воду и закачку его в скважину. В качестве понизителя водоотдачи используют композицию синтетических сульфированных полимеров с насыпной плотностью не менее 0,5 г/см, в качестве пластификатора - композицию карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с насыпной плотностью не менее 0,4 г/см.
Недостатками способа являются неоднородность по проницаемости, прочности образующегося цементного камня при такой последовательности приготовления тампонажного раствора ввиду постепенного последовательного ввода компонентов состава (портландцемент, минеральная добавка, оксид магния), вследствие чего не обеспечивается равномерность распределения их в составе, что приводит к неравномерности технологических свойств состава в процессе его затворения и закачивания (растекаемость, плотность), ухудшаются эксплуатационные свойства образующегося камня и, как следствие, снижается успешность РИР. Кроме того, используемый в процессе приготовления тампонажного раствора оксид магния может проявлять свойства расширяющей добавки. Если расширение не завершится до возникновения кристаллической структуры, это в дальнейшем может привести к образованию внутренних напряжений и снижению прочности камня с течением времени. При реализации способа с разными марками и партиями цемента обеспечение стабильного завершения расширения до возникновения кристаллической структуры является сложной задачей, влекущей высокую трудоемкость работ (способа) и удорожание способа. Также недостатком является ограниченный ассортимент минеральной добавки (применяется одна добавка).
Технической задачей является повышение эффективности ремонтно-изоляционных работ в скважине за счет улучшения прочности камня, снижения проницаемости с течением времени при одновременном снижении трудоёмкости, а также расширение ассортимента применения минеральных добавок.
3
3
Техническая задача решается способом ремонтно-изоляционных работ в скважине, включающим предварительное приготовление жидкости затворения путем растворения в пресной воде в заданном количественном соотношении нитрилотриметилфосфоновой кислоты, понизителя водоотдачи - композиции синтетических сульфированных полимеров с насыпной плотностью не менее 0,5 г/см, пластификатора - композиции карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с насыпной плотностью не менее 0,4 г/см, затем приготовление тампонажного раствора путем добавления в жидкость затворения портландцемента и минеральной добавки.
Новым является то, что приготовление тампонажного раствора осуществляют путем одновременного добавления в жидкость затворения минеральной добавки с портландцементом и их перемешивания в течение 20-30 минут, после этого осуществляют закачку полученного тампонажного раствора в скважину, при следующем соотношении компонентов мас. %:
Портландцемент 100,
минеральная добавка 0,5-3 сверх 100,
композиция синтетических сульфированных полимеров 0,3-0,4 сверх 100,
композиция карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот 0,1-0,2 сверх 100,
нитрилотриметилфосфоновая кислота – 0,01-0,02 сверх 100,
пресная вода до водо-твердого соотношения – 0,44-0,5,
а в качестве минеральной добавки используют «Кальматрон-Д» или «Акватрон-12», или «ПенетронАдмикс».
Реагенты, применяемые в заявляемом способе:
Таблица 1
Наименование реагента
ГОСТ, ТУ
Внешний вид
Основные характеристики
Нитрилотриметилфосфоновая кислота (НТФ)
ТУ 2439-347-05763441-2001
бесцветный или слегка зеленоватый кристаллический порошок белого цвета
Массовая доля основного вещества не менее 90%, массовая доля хлоридов не более 2,7 %
Понизитель водоотдачи (композиция синтетических сульфированных полимеров)
ТУ 2458-065-97457491-2012
порошок от белого до желтого цвета
Насыпная плотность – не менее 0,5 г/см<sup>3</sup> (в пределах 0,5-0,8 г/см<sup>3</sup>). Содержание влаги – не более 10,0 %.
Пластификатор (композиция карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталин-сульфокислот)
ТУ 2458-063-97457491-2012
порошок от желтого до темно-коричневого цвета
Насыпная плотность – не менее 0,4 г/см<sup>3</sup> (в пределах 0,4-0,7 г/см<sup>3</sup>). Содержание влаги – не более 15,0 %.
«ПенетронАдмикс»
ТУ 5745-001-77921756-2006- «ПенетронАдмикс»
порошок серого цвета, не содержащий механических примесей
повышение марки бетона по водонепроницаемости не менее 3 ступеней;насыпная плотность в стандартном неуплотненном состоянии 1020±70 кг/м<sup>3</sup>
«Кальматрон-Д»
ТУ 5716-009-54282519-2011-«Кальматрон-Д»
порошок серого цвета
повышение марки бетона по водонепроницаемости не менее 2 ступеней;насыпная плотность 1300±50 кг/м<sup>3</sup>
«Акватрон-12»
ТУ 5745-062-07508003-2003-«Акватрон-12»
порошок серого цвета
повышение марки бетона по водонепроницаемости не менее 2 ступеней;насыпная плотность 1400±100 кг/м<sup>3</sup>
Портландцемент тампонажный
ГОСТ 1581-96
-
-
Пресная вода
-
-
плотность 1000 кг/м<sup>3</sup>
0
Сущность изобретения состоит в создании способа ремонтно-изоляционных работ в скважине, включающего приготовление жидкости затворения путем растворения в пресной воде с температурой 18-24С в заданном количественном соотношении нитрилотриметилфосфоновой кислоты, понизителя водоотдачи, пластификатора при постоянном перемешивании со скоростью 300-500 об/мин до полного растворения добавок. Далее одновременно пропорционально добавляют портландцемент и минеральную добавку, при следующем соотношении компонентов мас. %:
портландцемент 100,
минеральная добавка 0,5-3 сверх 100,
композиция синтетических сульфированных полимеров 0,3-0,4 сверх 100,
композиция карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот 0,1-0,2 сверх 100,
нитрилотриметилфосфоновая кислота – 0,01-0,02 сверх 100,
пресная вода до водо-твердого соотношения – 0,44-0,5.
Проводят перемешивание тампонажного раствора в течение 20-30 минут, после этого осуществляют закачку полученного тампонажного раствора в скважину.
0
За счет того, что модифицирующие добавки тампонажного раствора полностью растворяются в пресной воде с температурой 18-24 С и минеральную добавку «Кальматрон-Д» или «Акватрон-12», или «ПенетронАдмикс» вводят одновременно с портландцементом в процессе затворения для равномерного распределения ее в тампонажном растворе, а также проводят перемешивание тампонажного раствора в течение 20-30 мин, образуется однородный тампонажный раствор, обеспечивающий равномерность технологических свойств состава в процессе его затворения и закачивания (растекаемость, плотность), а также в процессе эксплуатации образующегося камня (однородного по прочности, сниженной проницаемостью), улучшаются прочностные показатели цементного камня, что в свою очередь влияет на успешность ремонтно-изоляционных работ.
2
3
2
3
2
Кроме того, возможно использование в качестве минеральной добавки любой из представленных добавок в таблице 1, либо подобной по свойствам. Тампонажный раствор прост в приготовлении, обладает достаточно продолжительным для проведения работ в скважине временем отверждения. После перемешивания компонентов и закачивания в скважину в указанном диапазоне соотношений происходит взаимодействие минеральной добавки с клинкерообразующими оксидами (CaO, AlO, FeO, NaO) в составе минерального вяжущего с формированием минеральных новообразований. За счет добавления минеральной добавки одновременно с портландцементом в процессе приготовления тампонажного раствора происходит равномерное ее распределение в образующемся цементном камне, что способствует равномерному образованию кристаллобразований (при возникновении микротрещин, микрозазоров, когда вне зависимости от места подхода воды проводящий канал будет заблокирован) и позволяет получить однородный тампонажный камень более плотной структуры повышенной прочности и сниженной проницаемости в процессе эксплуатации. Таким образом, повышается однородность свойств приготавливаемого тампонажного раствора и образующегося цементного камня, снижается его проницаемость, повышается его долговечность и эффективность ремонтно-изоляционных работ (РИР) в скважине.
0
0
Для осуществления предлагаемого способа ремонтно-изоляционных работ готовят тампонажный раствор следующим образом. Приготавливают жидкость затворения путем растворения в пресной воде с температурой 18-24С при постоянном перемешивании со скоростью 300-500 об/мин добавок в заданном количественном соотношении нитрилотриметилфосфоновой кислоты (НТФ), понизителя водоотдачи, пластификатора (данные компоненты тампонажного раствора хорошо растворяются в воде с температурой 18-24С). Далее при постоянном перемешивании производят одновременное добавление минеральной добавки и портландцемента.
Приготовленный вышеприведенным способом раствор обеспечивает получение однородного тампонажного раствора, обеспечивающего равномерность технологических свойств состава в процессе его затворения и закачивания (растекаемость, плотность) и в процессе эксплуатации образующегося камня (однородного по прочности, сниженной проницаемости). Повышается долговечность цементного камня, успешность ремонтно-изоляционных работ, возможность использования более широкого ассортимента добавок в отличие от способа по наиболее близкому аналогу, где используется одна минеральная добавка, которую добавляют последовательно с портландцементом в процессе затворения тампонажного раствора. Кроме того, исключаются работы по подбору рецептуры состава с оксидом магния под каждую партию цемента с целью завершения «расширения» цемента в начальный период отверждения, не вызывая в дальнейшем внутренних напряжений в образующемся камне, поэтому снижаются трудозатраты.
Далее готовый тампонажный раствор закачивают в скважину.
В лабораторных условиях установили оптимальное соотношение компонентов тампонажного состава, при этом ориентировались на время отверждения после смешения компонентов тампонажного состава, чтобы было достаточным для закачки в скважину, растекаемость - не менее 220 мм, водоотделение – 0 %, прочностные показатели  не менее 3 МПа на изгиб и 8 МПа на сжатие, проницаемость по газу не более 5 мД.
Применяли тампонажный раствор, содержащий портландцемент, минеральную добавку, в качестве минеральной добавки использовали «Кальматрон-Д» или «Акватрон-12», или «ПенетронАдмикс», понизитель водоотдачи - композицию синтетических сульфированных полимеров, пластификатор - композицию карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот, нитрилотриметилфосфоновую кислоту и пресную воду при следующем соотношении компонентов мас. %:
Портландцемент – 100,
минеральная добавка – 0,5-3 сверх 100,
композиция синтетических сульфированных полимеров –0,3-0,4 сверх 100,
композиция карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот – 0,1-0,2 сверх 100,
нитрилотриметилфосфоновая кислота – 0,01-0,02 сверх 100,
пресная вода до водо-твердого соотношения – 0,44-0,5.
Показатели тампонажного раствора и образующегося камня определяли по ГОСТ 34532-2019. Проницаемость оценивали следующим образом. В металлическую форму заливали тампонажный раствор. Полученные после отверждения образцы устанавливали в специальную форму установки высокого давления. Далее определяли проницаемость по газу. Результаты лабораторных испытаний предлагаемого способа приведены в таблице.
Опыты 1-6 имеют оптимальное соотношение компонентов в тампонажном растворе предлагаемого способа. Кроме того, опыты 1-6 относятся к экономически предпочтительным тампонажным растворам для проведения ремонтно-изоляционных работ.
Опыты 7, 8 не входят в оптимальный предел соотношения компонентов в тампонажном растворе, так как имеют длительное время отверждения, низкую растекаемость, водоотделение, поэтому их не учитываем.
Результаты лабораторных испытаний предлагаемого способа показали: время отверждения после смешения компонентов тампонажного раствора составляет от 14 до 38 ч, что достаточно для закачки в скважину, растекаемость - более 245 мм, водоотделение - 0 %, прочностные показатели через 28 сут - в пределах 5,69-6,38 МПа на изгиб и 25,72-36,76 МПа на сжатие, проницаемость образующегося камня - 0,35-1,67 мД, что свидетельствует о высокой прочности, низкой проницаемости, долговечности образующихся камней с течением времени. По наиболее близкому аналогу прочностные показатели через 28 сут составили 3,91 МПа на изгиб и 17,05 МПа на сжатие и, как следствие, проницаемость образующегося камня со временем увеличивается и составляет более 5 мД.
Уменьшение массового содержания минеральной добавки ниже 0,5 %, нитрилотриметилфосфоновой кислоты ниже 0,01 %, композиции синтетических сульфированных полимеров ниже 0,3 %, композиции карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот ниже 0,1 %, пресной воды до водо-твердого соотношения менее 0,44 % ведет к излишнему сокращению времени отверждения тампонажного раствора до 7 ч, ухудшению технологических показателей (снижается растекаемость до 140 мм и, как следствие, снижается прокачиваемость тампонажного раствора).
Увеличение массового содержания минеральной добавки больше 3 %, нитрилотриметилфосфоновой кислоты более 0,02 %, композиции синтетических сульфированных полимеров более 0,4 %, композиции карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот более 0,2 %, пресной воды до водо-твердого соотношения более 0,5 % ведет к экономически неоправданному удорожанию тампонажного раствора и увеличению времени отверждения раствора до 96 ч с одновременным ухудшением прочностных показателей и водоотделения. Увеличение содержания портландцемента удорожает тампонажный раствор и ухудшает его прокачиваемость, а уменьшение его в растворе влияет на прочностные свойства образующегося камня (прочностные свойства снижаются).
0
Для осуществления закачки готовят тампонажный раствор. Тампонажный раствор готовят непосредственно на скважине. В смесительную емкость набирают пресную воду с температурой 18-24С. В воду при постоянном перемешивании до полного растворения добавок добавляют небольшими порциями НТФ, понизитель водоотдачи и пластификатор. Далее в жидкость затворения при постоянном перемешивании одновременно подают портландцемент и минеральную добавку при постоянном перемешивании при следующем соотношении компонентов мас. %:
портландцемент 100,
минеральная добавка 0,5-3 сверх 100,
композиция синтетических сульфированных полимеров 0,3-0,4 сверх 100,
композиция карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот 0,1-0,2 сверх 100,
нитрилотриметилфосфоновая кислота – 0,01-0,02 сверх 100,
пресная вода до водо-твердого соотношения – 0,44-0,5.
3
3
После проводят перемешивание тампонажного раствора в течение 20-30 минут до начала закачивания в скважину. Заполняют скважину, вызывают циркуляцию. Закачивают в изолируемый интервал последовательно буфер из 0,3-0,5 м пресной воды, приготовленный тампонажный раствор, буфер из 0,3-0,5 м пресной воды. Продавливают раствор закачиванием в предварительно спущенные насосно-компрессорные трубы (НКТ) технологической жидкости. Объем технологической жидкости для продавливания принимают с условием оставления цементного моста в зоне изоляции не менее 20 м. Проводят контрольную промывку для вымывания раствора из НКТ. Приподнимают НКТ на безопасную высоту с доливом скважины технологической жидкостью. Оставляют скважину на 48 ч для отверждения раствора. Проводят разбуривание цементного моста и промывают скважину с допуском НКТ до забоя. Успешность работ контролируют геофизическими методами или по изменению параметров работы скважины (дебита жидкости и нефти, обводненности продукции, плотности добываемой воды).
0
Достигаемый предлагаемым способом результат состоит в том, что ввод в пресную воду с температурой 18-24С в заданном количественном соотношении нитрилотриметилфосфоновой кислоты, понизителя водоотдачи, пластификатора при постоянном перемешивании со скоростью 300-500 об/мин до полного растворения добавок, далее одновременный ввод минеральной добавки с портландцементом, перемешивание тампонажного раствора в течение 20-30 минут позволяют достичь однородности свойств приготавливаемого тампонажного раствора и образующегося цементного камня, улучшить прочностные показатели цементного камня, снизить проницаемость, а также расширить ассортимент применения минеральных добавок и тем самым значительно улучшить эффективность ремонтно-изоляционных работ. Кроме того, предлагаемый способ позволяет исключить трудозатраты, связанные с необходимостью подбора рецептуры состава с оксидом магния под каждую партию цемента с целью завершения «расширения» цемента в начальный период отверждения, не вызывая в дальнейшем внутренних напряжений в образующемся камне.
Таблица  – Результаты лабораторных испытаний тампонажного раствора
№ п/п
Ж/Т
Содержание состава, % масс
Растекаемость, мм
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Время отверждения,час-мин
Прочностные показатели, через 28 сут,МПа
Водоотделение, %
Проницаемость, мД
Вид минеральной добавки
Портландцемент
Oксид магния
Минеральная добавка
НТФ
Понизитель водоотдачи
Пластификатор
Термоэластопласт бутадиен-стирольный
начало
конец
изгиб
сжатие
96ч
28 сут
1
0,44
100
-
0,5
0,01
0,3
0,2
-
245
1926
14-00
18-22
6,38
36,76
0
1,67
0,05
«Акватрон-12»
2
0,44
100
-
1,0
0,01
0,4
0,1
-
245
1924
15-30
19-05
6,28
35,81
0
0,49
0
«Кальматрон-Д»
3
0,45
100
-
2,0
0,02
0,35
0,1
-
250
1913
31-20
36-00
5,83
32,96
0
0,45
0,03
«Акватрон-12»
4
0,5
100
-
3,0
0,01
0,4
0,15
-
250
1898
28-00
33-20
5,78
28,24
0
0,37
0
ПенетронАдмикс»
5
0,44
100
-
3,0
0,015
0,35
0,2
-
245
1922
23-40
26-10
6,15
31,33
0
0,34
0
«Кальматрон-Д»
6
0,5
100
-
0,9
0,02
0,3
0,2
-
250
1891
34-00
38-00
5,69
25,72
0
0,49
0,15
ПенетронАдмикс»
№ п/п
Ж/Т
Содержание состава, % масс
Растекаемость, мм
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Время отверждения,час-мин
Прочностные показатели, через 28 сутМПа
Водоотделение, %
Проницаемость, мкм<sup>2</sup>
Вид минеральной добавки
Портландцемент
Oксид магния
Минеральная добавка
НТФ
Понизитель водоотдачи
Пластификатор
Термоэластопласт бутадиен-стирольный
96 ч
28 сут
начало
конец
изгиб
сжатие
7
0,3
100
-
0,2
0,002
0,1
0,02
-
140
1932
4-30
7-00
не определяли
0
не определяли
Кальматрон-Д» растекаемость низкая,время отверждения сокращенное
8
1
100
-
4
0,005
0,21
0,05
-
>250
1870
72-00
96-00
не определяли
5
не определяли
«Акватрон-12», растекаемость низкая, время отверждения растянутое
по прототипу
1
0,44
100
3,0
1,0
0,01
0,4
0,2
-
250
1879
18-00
28-10
3,91*
17,05*
0
0,35*
5,59*
«ПенетронАдмикс
Примечание –*-значение, замеренное заявителем