ГАЗОБЛОКИРУЮЩИЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН С МАЛЫМИ КОЛЬЦЕВЫМИ ЗАЗОРАМИ
GAS-BLOCKING PLUGGING MATERIAL FOR CEMENTING HORIZONTAL WELLS WITH SMALL ANNULAR GAPS

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным материалам для цементирования хвостовиков в горизонтальных нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах, а также скважинах с малыми кольцевыми зазорами, осложненных большим газовым фактором или аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) при забойных температурах от 20 до 100°C.
Из уровня техники известен тампонажный раствор, содержащий: портландцемент тампонажный, гидроксиэтилцеллюлозу, пластификатор, пеногаситель, латексный повторно диспергируемый порошок (патент РФ №2297437). Недостатками этого раствора являются низкие значения прочности тампонажного камня и недостаточная его адгезия при сцеплении с металлической поверхностью, что может повлиять на герметичность заколонного пространства. Отсутствие расширяющих свойств, способных компенсировать вышеуказанные недостатки, также может привести к отсутствию контакта цементного камня, особенно в горизонтальных участках ствола скважины.
Также известен расширяющийся тампонажный состав, содержащий: портландцемент, расширяющую добавку, ускоритель сроков схватывания, понизитель водоотдачи, суперпластификатор, пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ, воду (патент РФ №2360940). При цементировании скважин в условиях малых зазоров (11-16 мм) недостатками данного состава являются высокие реологические параметры (пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига), влияющие на прокачиваемость цемента, полноту замещения бурового раствора тампонажным, и потери давления при цементировании за счет дополнительных гидравлических сопротивлений, приводящих к вероятности гидроразрыва пластов с поглощением раствора и недоподъему его до проектной высоты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тампонажный раствор, содержащий: портландцемент тампонажный, структурообразователи - микрокремнезем МК-85 и водный раствор хлорида кальция, понизитель водоотдачи - натросол 250 EXR, пластификатор - окзил-см (патент РФ №2471846).
При пониженных значениях пластической вязкости недостатком указанного известного раствора являются высокие показатели динамического напряжения сдвига. Гидравлические расчеты показывают, что изменение максимального давления подачи зависит, в основном, от показателей динамического напряжения сдвига, влияющих на гидродинамические потери давления при цементировании скважины, в результате повышения которых может создаваться дополнительная репрессия на пласт. Кроме того, во время длительной эксплуатации скважины низкая прочность на изгиб (менее 2,7 МПа), свидетельствующая о хрупкости цементного камня, может негативно сказаться на герметичности заколонного пространства.
Кроме того, использование указанного известного растора при цементировании скважин с высоким газовым фактором может привести к заколонным перетокам, т.к. газоблокирующие свойства подтверждаются только низкой проницаемостью цементного камня и его сцеплением. Возможность предупреждения вероятности прорыва флюидов через известный цементный раствор во время твердения не доказана.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик тампонажного материала за счет повышения адгезионных, прочностных показателей, снижении фильтратоотдачи и динамического напряжения сдвига, а также улучшении показателей водо- и газоблокирующих свойств тампонажного материала и сформированного цементного камня при забойных температурах от 20 до 100°C.
Указанный технический результат достигается предлагаемым газоблокирующим тампонажным материалом для цементирования горизонтальных скважин с малыми кольцевыми зазорами, включающим портландцемент, микродисперсную и расширяющую добавки, понизитель фильтрации, ускоритель сроков схватывания и воду, при этом новым является то, что в качестве микродисперсных и расширяющих добавок материал содержит микродисперсный цементный комплекс МДЦК, состоящий из: микроцемента, или микрокремнезема, или метакаолина и гидросульфоалюмината кальция в массовом соотношении 2:1 соответственно; в качестве понизителя фильтрации - водосвязывающий комплекс ВКЦ, состоящий из сополимера винилацетата и этилена с содержанием винилацетатных групп 18-20%, оксиэтилцеллюлозы и модифицированного кремнеорганического реагента, взятых в массовом соотношении 10:1:0,5 соответственно; а в качестве ускорителя сроков схватывания состав содержит хлорид кальция или хлорид натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
портландцемент
75-95
МДЦК
5-25
ВКЦ
2,0-3,5
указанный ускоритель схватывания
0,1-3,0
вода
47-60
Поставленный технический результат достигается за счет следующего. Благодаря тому, что в качестве микродисперсных добавок предлагаемый состав содержит микродисперсный цементный комплекс (МДЦК), состоящий из микроцемента, или микрокремнезема, или метакаолина и расширяющей добавки - гидросульфоалюмината кальция, обеспечивается значительное улучшение его эксплуатационных свойств. МДЦК содержит микродисперсные материалы отечественного или импортного производства: в качестве микроцемента цементную пыль, полученную при производстве цемента, или тонкомолотый цемент; в качестве микрокремнезема - ультрадисперсный материал, получаемый в процессе газоочистки технологических печей при производстве кремнийсодержащих сплавов; метакаолин представляет собой продукт, который образуется при термической обработке каолина. Указанные компоненты используются в промышленном строительстве для упрочнения бетонных конструкций (тоннелей, мостов, фундаментов), где возникают большие перепады нагрузок при эксплуатации. Также они используются в капитальном ремонте скважин при ликвидации негерметичности обсадных труб, резьб, цементного камня. Гидросульфоалюминат кальция является расширяющей добавкой, которая получается путем смешения растворов сернокислого алюминия, гидроокиси кальция и сернокислого кальция при определенном соотношении с последующей выдержкой при периодическом перемешивании и отделением фильтрацией осадившегося кристаллического осадка. При использовании гидросульфоалюмината кальция уплотняется структура благодаря образованию эттрингита, сокращается усадка при высыхании и индуцируется сжимающее напряжение в бетонных конструкциях из-за сдерживающего расширения.
При использовании микродисперсных добавок в предлагаемом тампонажном материале, совместно с другими компонентами, особенно, гидросульфоалюминатом кальция, отмечается синергетический эффект, проявляющийся в ускорении набора прочности, увеличении прочностных характеристик, а также в снижении проницаемости и расширении цементного камня, что особенно важно в условиях горизонтальных участков с малыми кольцевыми зазорами при небольшой толщине цементного кольца (11-16 мм).
Оксиэтилцеллюлоза в указанных концентрациях значительно снижает показатели фильтрации. Реологические показатели при этом имеют оптимальные значения. Но, как оказалось, при введении сополимера винилацетата и этилена, являющегося продуктом сополимеризации винилацитета и этилена с содержанием винилацетатных групп 18-20%, совместно с оксиэтилцеллюлозой проявился синергетический эффект, при котором фильтратоотдача цементного раствора дополнительно снижается, практически не оказывая влияния на реологию. Кроме того, благодаря совместному влиянию данных полимеров, улучшились водо- и газоблокирующие свойства тампонажного материала.
Технической задачей предлагаемого изобретения является возможность качественного крепления обсадных колонн в условиях малых кольцевых зазоров при забойных температурах от +20 до +100°C за счет низких реологических и фильтрационных показателей, а также высоких упругопластичных и тиксотропных свойств тампонажного материала, высокой прочности, низкой проницаемости и безусадочности цементного камня, способствующих наиболее полному замещению бурового раствора тампонажным, снижению гидравлических сопротивлений при цементировании, предотвращению вероятности проникновения газа или воды в начальный период гидратационного твердения за счет формирования неразмываемой и флюидонепроницаемой структуры за короткий период времени, что позволяет использовать заявляемый материал также в скважинах с аномально высоким пластовым давлением или с высоким газовым фактором.
Таким образом, поставленный технический результат достигается за счет синергетического эффекта компонентов и их количественного соотношения, входящих в рецептуру заявляемого тампонажного материала.
Для получения предлагаемого тампонажного состава в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ 1G-CC-1, ГОСТ 1581-96;
- МДЦК - ТУ 5738-030-38892610-2012;
- ВКЦ - ТУ 2231-031-38892610-2012;
2
- NaCl/CaCl - ГОСТ 4233-77/ТУ 2123-020-53501222-2001;
- вода техническая.
Пример
Для приготовления предлагаемого тампонажного материала в лабораторных условиях при температуре 20±2°C брали 580 г технической воды, добавляли 19 г ускорителя - хлорида кальция, и перемешивали до полного растворения, параллельно готовили сухую смесь: из 950 г портландцемента марки ПЦТ IG-CC-1+95 г МДЦК + 28,0 г ВКЦ. Далее вручную производили перемешивание сухой смеси и водного раствора с ускорителем до однородной консистенции. Затем раствор устанавливали на мешалку для перемешивания при 1500 об/мин на 3 минуты, после чего замеряли плотность и растекаемость, далее перемешивали уже при 300 об/мин в течение 1 часа. После 1 часа перемешивания замерялись все заявленные параметры. В результате был получен тампонажный материал со следующим содержанием компонентов, мас.ч.: портландцемент ПЦТ IG-CC-1 - 95; МДЦК - 9,5; ВКЦ - 2,8; хлорид кальция - 1,9; вода - 58.
Тампонажные материалы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В промысловых условиях также готовится отдельно жидкость затворения (вода+ускоритель схватывания) в специальном мернике или в бункерах цементировочных агрегатов и отдельно сухая смесь (цемент+МДЦК+ВКЦ) в бункерах смесителей (СМН-20) или в специальных цементовозах (ТЦ-12, ТЦ-21, ТЦ-25). Перед затворением цемента температура жидкости затворения обязательно должна быть не ниже 20±2°C. Для более равномерного смешения химических добавок с цементом необходимо дополнительное перетаривание сухой смеси. Для стабилизации свойств и достижения оптимальных параметров тампонажного материала перед закачкой в скважину необходимо его перемешивание на поверхности в течение 30-40 мин.
В ходе лабораторных испытаний определяли по ГОСТ 26798.2-96, ISO 10426-1(2) и М-ИСМ-03-ОТСС-11-2009 следующие свойства тампонажного материала и цементного камня:
3
- плотность, г/см;
- фильтратоотдача за 30 мин при ΔР=0,7 МПа, мл;
- водоотделение, мл;
- пластическая вязкость ПВ, мПа·с;
- динамическое напряжение сдвига ДНС, дПа;
- статическое напряжение сдвига СНС 10 с/10 мин, дПа;
- время загустевания до 30 Вс при ΔР=30,0 МПа, ч-мин;
- время формирования СНС от 100 до 500 lb/100ft, мин;
- сроки схватывания, ч-мин;
- прочность цементного камня на изгиб/сжатие/сцепление через 2 сут хранения, МПа;
- проницаемость цементного камня, мД;
- расширение/усадка цементного камня, %.
В таблице 1 приведены данные о содержании компонентов в исследованных предлагаемом и известном материалах.
В таблице 2 приведены данные о свойствах предлагаемого и известного материалов.
Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый тампонажный материал имеет следующие преимущества перед известным по прототипу:
- снижено динамическое напряжение сдвига в 3 раза;
- существенно увеличены прочностные характеристики тампонажного камня, а именно прочность на изгиб в 2,5 раза, на сжатие в 1,3 раза, на сцепление в 2 раза.
Указанные показатели тампонажного материала имеют большое значение при цементировании горизонтальных скважин и скважин с малыми кольцевыми зазорами (11-16 мм). Снижение ДНС в 3 раза уменьшает гидродинамические сопротивления в заколонном пространстве скважины при цементировании в среднем на 1,5-1,7 МПа при глубине скважины 2000 м (хвостовик 102 мм), а также вероятность возникновения ГРП (гидроразрыва пород). Увеличение прочностных характеристик позволит получить качественную герметизацию заколонного пространства, особенно в горизонтальных скважинах, где из-за эксцентричности колонны толщина цементного кольца неравномерна.
Также недостатком тампонажного материала по прототипу является то, что понизитель фильтрации и пластификатор предварительно размешиваются в жидкости затворения и только потом перемешиваются с цементом. При приготовлении материала в промышленных условиях для растворения вышеуказанных реагентов потребуется дополнительное время и подогрев воды, особенно в зимних условиях. В предлагаемом же тампонажном материале все добавки вводятся в сухом виде к цементу, в жидкость затворения вводится только быстрорастворимый ускоритель.
Выбор количественного содержания компонентов обусловлен следующим.
При содержании портландцемента ниже 75 мас.ч. наблюдается падение прочностных характеристик, а при содержании его выше 95 мас.ч. наблюдается увеличение реологических показателей. Выбранный предел концентрации МДЦК обусловлен тем, что при его содержании ниже 5 мас.ч. значительно снижается прочность на сцепление и проницаемость цементного камня, а при превышении 25 мас.ч. наблюдается резкий рост реологических показателей, при этом существенного увеличения прочностных показателей не наблюдается. Предел концентраций ВКЦ обусловлен тем, что при его содержании менее 2,0 мас.ч. водоотдача снижается незначительно, а выше 3,5 мас.ч. увеличиваются реологические показатели и сроки схватывания.
Благодаря преимуществам предлагаемого состава будет обеспечено качественное крепление обсадных колонн в условиях малых кольцевых зазоров при забойных температурах от +20 до +100°C за счет низких реологических и фильтрационных показателей, а также высоких упругопластичных и тиксотропных свойств тампонажного материала, высокой прочности, низкой проницаемости и безусадочности цементного камня, способствующих наиболее полному замещению бурового раствора тампонажным, снижению гидравлических сопротивлений при цементировании, предотвращению вероятности проникновения газа или воды в начальный период гидратационного твердения за счет формирования неразмываемой и флюидонепроницаемой структуры за короткий период времени, что позволяет использовать заявляемый материал также в скважинах с аномально высоким пластовым давлением или с высоким газовым фактором.