СОСТАВ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПУСТОТ В ПОРОДЕ
COMPOSITION FOR SEALING VOIDS IN ROCK

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к блокирующим составам, позволяющим изолировать и разобщать зоны поглощений технологических жидкостей при бурении и креплении скважин в интервалах интенсивного движения пластовых вод.
Природные ресурсы, такие как нефть и газ, находящиеся в подземном пласте или зоне, обычно извлекаются путем бурения ствола скважины. Скважина бурится при циркуляции в ней бурового раствора. Буровой раствор обычно циркулирует вниз через внутреннюю часть бурильной трубы и вверх через кольцевое пространство, которое расположено между внешней частью трубы и стенками ствола скважины.
Часто при бурении ствола скважины встречаются одна или несколько проницаемых зон. Проницаемыми зонами могут быть, например, слабоконсолидированные пласты, пустоты, естественные трещины или индуцированные трещины, которые возникают, когда слабые зоны имеют градиенты трещин, превышающие гидростатическое давление бурового раствора или цементного раствора. Во время операции бурения проницаемая или трещиноватая зоны могут привести к потере бурового раствора. Буровой раствор течет в зоны поглощения, а не возвращается на поверхность, что приводит к потерям бурового раствора. В некоторых случаях происходит падение статического уровня в скважине, что приводит к падению давления на открытый пласт и потенциально может привести к катастрофической потере контроля над скважиной.
На текущий момент можно выделить несколько типов ликвидации поглощений бурового раствора: кольматирующие составы с использованием фракций различного размера; полимерсшиваемые составы, золи; отверждаемые составы.
Хотя существует множество материалов и композиций, которые были предложены для предотвращения потери циркуляции, по-прежнему существует потребность в еще более универсальных и более совершенных композициях и способах предотвращения, а также уменьшения потери циркуляции.
Известен блокирующий состав для изоляции зон поглощений при бурении и капитальном ремонте скважин (см. патент RU 2670298 С1 от 22.10.2018), содержащий 0,6-1,0 мас. % водорастворимого анионного высокомолекулярного полиакриламида (ПАА), 7,0-7,4 мас. % хризотила (волокнистый минерал класса силикатов) в качестве наполнителя и воду.
Недостатком известного состава является использование для закупорки трещин только хризотрила. Это делает состав узконаправленным, то есть закупоривать будут только небольшие трещины.
Известен тампонажный состав для изоляции зон интенсивного поглощения (см. патент RU 2542063 С1 от 20.02.2015), включающий портландцемент, полуводный гипс, глину, пенообразователь и воду, хлорид кальция, гидроксиэтилцеллюлозу и инертную добавку, при этом в качестве глины состав содержит палыгорскитовый, или монтмориллонитовый, или каолиновый термомеханически активированный глинопорошок, в качестве пенообразователя - анионактивное или амфотерное поверхностно-активное вещество ПАВ, в качестве инертной добавки содержит фибру полипропиленовую, или асбестовое волокно, или мраморную муку.
Недостатком известного состава является использование в качестве наполнителей мелкодисперсных порошков и волокон одного вида. Данный состав может быть использован только для закупорки узкого диапазона трещин. Кроме того, в состав входят такие компоненты, как гипс и цемент, что создает технологические трудности при использовании, а именно риск перехода состава в непрокачиваемое состояние через неопределенное время.
3
3
3
4
2
4
3
7
3
3
9
4
2
4
13
Известна суспензия для предотвращения поглощения бурового раствора (см. патент ЕР 2398866 В1 от 04.03.2015), включающая базовую жидкость, от 1,4 г/дм до 28 г/дм (от 0,5 до 10 ppb) по меньшей мере одной волокнистой структуры, по меньшей мере один утяжелитель и множество частиц силиката кальция. В качестве базовой жидкости используют воду или маслянистую жидкость. В качестве волокнистой структуры - целлюлозные или синтетические волокна. Синтетическая волокнистая структура при это может содержать полиэфир, акрил, полиамид, полиолефин, полиарамид, полиуретан, виниловый полимер, стеклянные волокна, углеродные волокна, регенерированную целлюлозу (вискозу) или их смеси. Силикат кальция может быть в виде CaSiO, CaSiO, CaSiO, CaSiO, Са(SiO) и Ca(HSiO) с различным процентным содержанием кристаллизационной воды, и может быть как природным, так и синтетическим. Природные минералы силиката кальция известны под различными названиями, включая ларнит, гиллебрандит, фошагит, афвиллит, фошалласит, геллебекаит, граммит, столовый шпат, волластонит, ксоналтит, ксонотлит, эаклит и пектолит кальция. Предпочтительным силикатом кальция в известном изобретении является валостонит. Дополнительно суспензия может содержать мостиковый агент.
Недостатком известной суспензии является использование в качестве наполнителей мелкодисперсных порошков и волокон одного вида, что позволит кольматировать только мелкие трещины.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является поглощающая композиция для герметизации трещин (патент US 8739872 В1 от 03.06.2014), содержащая:
- материал в виде частиц, содержащий от 45 до 60 мас. % частиц диатомитозой земли, от 5 до 15 мас. % графитового материала, от 5 до 15 мас. % скорлупы молотых орехов и от 5 до 15 мас. % измельченного волокнистого целлюлозного материала;
- волокнистый материал - от 5 до 15 мас. % синтетических рубленых волокон;
- не содержащий цемента отверждаемый состав - от 10 до 20 мас. % полугидрата сульфата кальция и от 2 до 12 мас. % метасиликата натрия.
В качестве скорлупы молотого ореха используют скорлупу грецкого ореха, скорлупу арахиса, скорлупу миндаля, скорлупу кешью, скорлупу бразильских орехов, скорлупу каштанов, скорлупу фисташковых орехов и скорлупу пекана. В качестве синтетических рубленых волокон - полипропиленовые волокна, вискозные волокна, углеродные волокна, карбидокремниевые волокна, стекловолоконные волокна, акриловые полиэфирные волокна, полиамидные волокна, ароматические полиамидные волокна, полиолефиновые волокна, полиуретановые волокна, поливинилхлоридные волокна и волокна поливинилового спирта. Синтетические рубленые волокна имеют среднюю длину от около 0,5 до 13 мм. Известная композиция эффективно герметизирует поры и останавливает потери бурового раствора из-за больших трещин, таких как те, которые имеют размер около 200 микрон или более, и в некоторых вариантах осуществления трещины, имеющие размер около 200 микрон до около 4000 микрон, и в других вариантах осуществления трещины, имеющие размер от около 500 микрон до около 2500 микрон, в то же время демонстрируя устойчивость к высоким температурам, таким как в некоторых вариантах от около 70°F(20°C) до около 400°F(204°C) и в других вариантах от около 150°F до около 250°F.
Основным недостатком данной композиции является невозможность кольматирования трещин с размером более 4000 микрон (4 миллиметра). Это накладывает ограничения на применения состава в интервалах с наличием поглощающих трещин широкой раскрытости, в частности на месторождениях республики Татарстан, Самарской и Оренбургской области.
Задачей изобретения является создание состава для герметизации пустот в породе, способный надежно кольматировать трещины от 2 до 10 мм без закачки большого объема кольматирующей пачки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в повышении степени изолирующих свойств предлагаемого состава при изоляции интервалов поглощения скважинных жидкостей в пористых, кавернозных, трещиноватых породах.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что получают состав для герметизации пустот в породе, содержащий диспергируемый в дисперсионной среде реагент, содержащий диатомитовую землю, измельченный волокнистый целлюлозный материал, рубленое волокно с длиной волокна в диапазоне от 2 мм до 18 мм, при следующем соотношении компонентов, % мас:
Диатомитовая земля
35-75
Измельченный волокнистый целлюлозный материал
20-60
Рубленное волокно (фибра) с длиной волокна в диапазоне
от 2 мм до 18 мм
2-15
Содержание реагента в дисперсионной среде составляет от 18 до 35% массовых.
Для приготовления заявленного состава для герметизации пустот в породе используют следующие материалы.
Диатомитовая земля. Представляет собой легкий порошкообразный минерал белого, серого и желтоватого цвета, состоящий из микроскопических кремнеземнистых панцирей водорослей (диатомей). Диатомовая земля и измельченный волокнистый целлюлозный материал являются дисперсными материалами и обеспечивают быструю дефлюидизацию составов. Фибра увеличивает прочность на сдвиг полученной в зоне поглощения толстой фильтрационной корки.
В качестве фибры может быть использована стальная фибра, флексабитая фибра, кордная фибра, шелковая фибра, стекловолоконная фибра, полипропиленая фибра, нейлоновая фибра, дедероновая фибра, базальтовая фибра, дакроновое фибра, вискозная фибра, капроновая фибра, люрексная фибра, парарамидная фибра, или комбинированная нить на их основе с длиной волокна от 2 до 18 мм. Наиболее предпочтительными являются стальная фибра, люрексная фибра, парарамидная фибра, флексабитовая фибра и базальтовая фибра.
Армирование состава при помощи фибры. Основной принцип действия состава - удаление избыточной жидкости из состава в породу вокруг поглощающего интервала и формирование плотной корки в зоне поглощения. При этом после проведения операции по ликвидации поглощения сформированная корка может быть размыта потоком бурового раствора в процессе бурения и повторного возникновения поглощения бурового раствора. Использование фибры в составе позволяет предотвратить вымыв полученной корки из зоны поглощения потоком бурового раствора, значительно повысить устойчивость полученной корки к перепадам давления.
Жидкость-носитель для состава с быстрой фильтрацией может быть водой, базовым маслом или раствором соли. В соответствии с некоторыми вариантами реагент добавляют к жидкости-носителю в количестве примерно до 300 кг/м3. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, состав можно приготовить путем добавления барита, соли, карбоната кальция или других обычных утяжелителей в жидкость для достижения желаемой плотности.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения улучшенный состав для закупоривания трещин включает дисперсный материал для быстрого обезвоживания жидкой композиции, волокнистый материал для увеличения прочности на сдвиг получаемого в трещине уплотненного состава.
Отличительной способностью разработанного состава является надежное кольматирование трещин от 2 до 10 мм без закачки большого объема кольматирующей пачки, в отличие от стандартных составов с быстрой фильтрацией.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет подобранной смеси наполнителей, с использованием ряда новых материалов, таких, как стальная, флексабитовая, параарамидная фибра. При использовании предлагаемого состава благодаря синергетическому эффекту его компонентов обеспечивается максимальное кольматирование разноразмерных пустот в породе (раскрытость трещин от 2 мм и выше).
Далее будет приведен наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения, который тем не менее, не ограничивает другие возможные варианты осуществления явным образом следующие из материалов заявки и понятные специалисту.
На заводе-изготовителе проводят изготовление реагента. Непосредственно на объекте проведения работ из реагента готовят состав для герметизации пустот в породе, используя в качестве дисперсионной среды минеральное масло, рассол или пресную воду (далее по тексту - флюид).
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления реагент для приготовления состава для герметизации пустот в породе включает в себя комбинацию нескольких материалов для получения композиции, которая позволяет помещать твердую, неподвижную массу в трещину пласта, чтобы предотвратить потерю циркуляции бурового раствора, в которой композиция не может быть выдавлена из трещины полностью или частично из-за колебаний давления.
Состав для герметизации пустот в породе приобретает как прочность на сжатие, так и прочность на сдвиг, когда материал дефлюидизирован в зоне поглощения.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения состав эффективно останавливает потери бурового раствора из больших трещин, имеющие размер около 2000 микрон, и в то же время демонстрируя устойчивость к низким/высоким температурам, таким как от около 0°С до около плюс 180°С.
Реагент для приготовления состава для герметизации пустот в породе получают простым смешиванием ингредиентов. Содержание компонентов представлено в процентах от веса сухой композиции. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения реагент для приготовления состава для герметизации пустот в породе включает следующие компоненты: около 35-75% по массе диатомовой земли, около 20-60% по массе измельченного волокнистого целлюлозного материала, около 2-15% по массе рубленых волокон (фибра) с длиной волокна в диапазоне от 2 мм до 18 мм.
Для приготовления реагента используют следующие ингредиенты:
1. Базальтовая фибра - например, коммерчески доступный материал от компании «Sudaglass Fiber Technology».
2. Стальная фибра - например, коммерчески доступный материал от компании «VULKAN HAREX STEELFIBER INC».
3. Параарамидная фибра - например, коммерчески доступный материал от компании «Teijin Aramid».
4. Полипропиленовая фибра - например, коммерчески доступный материал от компании «Арт-пласт».
5. Измельченный волокнистый целлюлозный материал - например, древесная мука согласно ГОСТ 16361-87 «Мука древесная».
6. Диатомитовая земля - например, коммерчески доступный материал «CLARCEL» компании «Chemviron».
Для приготовления состава из реагента в качестве дисперсионной среды используют следующие ингредиенты:
1. Техническая вода, предоставляемая на объекте проведения работ в широком диапазоне минерализации (от пресного до соленасыщенного раствора).
2. Минеральное масло - например, коммерчески доступный материал «Rosneft Drilltec В2» от компании ООО «РН-Смазочные материалы».
При этом концентрация реагента в жидкости-носителе (дисперсионной среде) составляет от 18 до 35%. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, состав можно приготовить путем добавления барита, соли, карбоната кальция или других обычных утяжелителей в жидкость для достижения желаемой плотности.
После того, как состав закачали в зону поглощения, давление сжатия с поверхности приводит к тому, что состав быстро теряет жидкость в проницаемый пласт или в проницаемую сеть трещин. Образовавшаяся неподвижная масса приобретает как прочность на сжатие, так и прочность на сдвиг, и будучи на месте в трещиноватой зоне перекрывает ее. Фильтрационная корка быстро превращается в жесткую герметизирующую массу, которая практически непроницаема для всего бурового раствора, так что минимальное количество последующих буровых или обрабатывающих жидкостей проходит в трещину.
Следующие примеры иллюстрируют композиции реагента и способы, описанные выше.
В таблице 1 приведены данные о содержании компонентов в исследованных составах.
Приготовленные составы готовят на различных типах жидкостей. В таблице 2 приведены данные по использованию состава при приготовлении кольматирующей пачки с использованием воды или минерального масла (где Пример №0 - прототип).
Время дефлюидизации при перепаде давления 100 psi получают путем заливки состава в объеме 300 мл в стандартную ячейку низкотемпературного фильтр-пресса без использования фильтровальной бумаги (только базовая металлическая сетка). Для оценки максимального размера закупориваемых трещин используют тестер проницаемости с набором перфорированных дисков (с отверстиями круглого сечения диаметром 2, 3, 5 и 10 мм, с щелевидными отверстиями длиной 27 мм и шириной 1,5; 2,5; 3 и 5 мм). Перепад давления в процессе определения кольматирующей способности составлял 1000 psi. Объем состава для определения кольматирующей способности - 450 мл, отверстие считают закольматированным при начале истечения прозрачного фильтрата.
Полученные кольматирующие характеристики приведены в таблице 3.
Пример 1
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Базовая рецептура без использования фибры. Благодаря отсутствию в составе фибры допускается к закачке через компоновку низа бурильной колонны с наличием телесистемы, долота. Состав показывает высокую скорость фильтратоотдачи, однако кольматирует только щелевидное отверстие с шириной 1,5 мм, при этом демонстрирует вытекание большого количества состава до момента кольматации.
Пример 2
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Базовая рецептура с использованием базальтовой фибры. Благодаря наличию базальтовой фибры состав способен кольматировать отверстия как щелевидной формы, так и круглого сечения с раскрытостью до 3 мм.
Пример 3
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Рецептура с использованием базальтовой фибры длиной 12 мм. Благодаря этому достигается кольматирующая способность - состав способен кольматировать отверстия как щелевидной формы, так и круглого сечения с раскрытостью до 5 мм.
Пример 4
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Рецептура с использованием фибры с комбинированием базальтовой фибры различной длины, повышенной доли диатомитовой земли. Благодаря этому достигается высокая кольматирующая способность - самые крупные отверстия (круглого сечения 10 мм и щелевидной формы шириной 5 мм) при минимальных значениях потери состава перед кольматированием отверстий.
Пример 5
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Рецептура с использованием базальтовой фибры длиной 18 мм. Благодаря этому достигается кольматирующая способность - самое крупное отверстие круглого сечения 10 мм, однако при оценке кольматирующей способности на отверстиях щелевидной формы кольматирование получено только для ширины 1,5; 2,5; 3 мм.
Пример 6
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Рецептура с использованием стальной фибры длиной 12 мм. Стальная фибра является самым жестким волокном из представленных. Благодаря этому достигается кольматирующая способность - самые крупные отверстия (круглого сечения 10 мм и щелевидной формы шириной 5 мм). Однако в сравнении с примером 4, где использованы более гибкие типы волокон, для достижения кольматирующего эффекта через отверстия необходимо прокачать существенно больше состава.
Пример 7
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Рецептура с использованием параарамидной фибры длиной 12 мм. Благодаря этому достигается кольматирующая способность - самое крупное отверстие щелевидной формы 5 мм, однако при оценке кольматирующей способности на отверстиях круглого сечения кольматирование получено только для ширины 2; 3; 5 мм, что связано с использованием только одного типа гибкой фибры
Пример 8
В качестве дисперсионной среды для реагента используют минеральное масло. Рецептура с использованием фибры различного типа с комбинированием базальтовой и параарамидной фибры различной длины. Благодаря этому достигается кольматирующая способность - самые крупные отверстия (круглого сечения 10 мм и щелевидной формы шириной 5 мм) при минимальных значениях потери состава перед кольматированием отверстий. При этом расход состава перед кольматированием трещин в сравнении с примером 4, где в качестве среды для диспергирования реагента использовалась пресная вода, выше.
Пример 9
В качестве дисперсионной среды для реагента используют пресную воду. Базовая рецептура с использованием полипропиленовой фибры длиной 12 мм. Благодаря наличию полипропиленовой фибры состав способен кольматировать отверстия как щелевидной формы, так и круглого сечения с раскрытостью до 3 мм.
Пример 10
Рецептура реагента идентична рецептуре реагента из примера 4, однако использованы другие пропорции при непосредственном приготовлении состава, в частности уменьшена концентрация реагента с 30% до 20% массовых. При этом достигается такая же эффективность состава при кольматировании трещин при оценке размера отверстий. Однако количество состава, необходимое для кольматации несколько больше.