Тампонажный раствор для ремонтных работ и крепления скважин

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ремонту и креплению скважин, и может быть использовано для изоляции посторонних вод и газопереточных каналов в цементном кольце за эксплуатационной колонной, а также для крепления скважин. Сущность изобретения: тампонажный раствор содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: портландцемент 100, полиакриламид 0,15 - 0,25, технический сульфат натрия 0,2 - 0,4, пеназолин 0,1 - 0,5, вода 60 - 62.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ремонту и креплению скважин, и может быть использовано для изоляции посторонних вод и газопереточных каналов в цементном кольце за эксплуатационной колонной, а также для крепления скважин.

За прототип изобретения принят тампонажный раствор, содержащий следующие компоненты, мас. Портландцемент 100 Понизитель водоотдачи 0,2-1,2 Гидросил 1-9 Сульфат натрия 1-4 Вода 50,5-76,3 Недостатки указанного тампонажного состава пониженная седиментационная устойчивость при достаточно высоких показателях водоотдачи и малой подвижности, повышенная газопроницаемость образующегося цементного камня, Ввиду высокой удельной поверхности гидросила увеличивается водопотребность цементного раствора, а повышенное содержание воды приводит к уменьшению концентрации полиакриламида в жидкой фазе и, следовательно, к снижению ее вязкости и увеличению водоотстоя системы. Это способствует обpазованию водяных поясов и зон с повышенной концентрацией твердой фазы. Повышенное содержание сульфата натрия и мелкодисперсного гидросила с развитой активной поверхностью приводит к быстрому переходу коагуляционной структуры цементного раствора в кристаллизационную, что сопровождается снижением, а затем полной потерей подвижности раствора. Это ограничивает его проникающую способность. Концентрация полиакриламида в жидкой фазе также снижается за счет его адсорбции на гидросиле, что способствует повышению водоотдачи раствора. Большая водопотребность тампонажного раствора приводит к увеличению пористости камня и, следовательно, к росту газопроницаемости. Описываемые процессы приводят к образованию флюидопроводящих каналов в твердеющем растворе и нарушают изоляционные свойства образующегося цементного камня, Цель изобретения повышение седиментационной устойчивости тампонажного раствора при сохранении подвижности и пониженной водоотдачи, уменьшение газопроницаемости цементного камня.

Поставленная цель достигается известным составом тампонажного раствора, содержащим портландцемент, полиакриламид, стабилизирующую добавку, сульфатсодержащий реагент и воду, который в качестве стабилизирующей добавки содержит пеназолин, а в качестве сульфатсодержащего реагента технический сульфат натрия отход производства себациновой кислоты, получаемый при нейтрализации натриевых солей жирных кислот серной кислотой, при следующем соотношении компонентов, мас. Портландцемент 100 Полиакриламид 0,15-0,25 Технический сульфат натрия 0,2-0,4 Пеназолин 0,1-0,5 Вода 60-62 В составе используют тампонажный портландцемент ПЦТ-Д20-100, ГОСТ 1581-85. Полиакриламид используют по ТУ 6-01-1049-81.

Технический сульфат натрия, используемый по ТУ 113-46-18-20-89, имеет следующий состав, мас. Сульфат натрия не менее 93,0 Соли железа (катионы железа в пересчете на Fe₂O₃) до 0,03 Органические примеси (натриевые соли жир- ных кислот и себаци- новой кислоты) в пере- счете на себацинат натрия до 1,0 Хлористый натрий до 0,7 Вода до 5,0 Пеназолин относится к классу катионактивных веществ и содержит в своем составе алкилимидазолины, аминоамиды и диамиды и используется по ТУ 38-40759-75.

В процессе эксплуатации залежи после отбора некоторого количества газа (нефти) в скважинах появляется вода. Прорывы посторонних вод, расположенных выше кровли или ниже подошвы продуктивного пласта, опасны для залежи, а происходят они в результате неплотности цементного кольца за обсадной колонной как в процессе освоения, так и после некоторого периода эксплуатации скважины. В связи с этим возникает необходимость проведения ремонтных работ. Посторонние воды (верхние и нижние) изолируют путем цементирования скважины под давлением с целью уплотнения цементного кольца. Качество изоляции зависит от проникающей способности или подвижности (напряжения сдвига) цементного раствора, в особенности при малых размерах водопроводящих каналов, от показателей водоотдачи и седиментационной устойчивости (осаждение частиц твердой фазы цементного раствора или водоотстой). Раствор, удовлетворяющий вышеприведенным показателям, используется и для крепления скважин.

Понятия водо- и газопроницаемости не тождественны. Определение водопроницаемости влагонасыщенного цементного камня характеризует истинную его структуру. Газопроницаемость предусматривает по-лучение характеристики структуры с точки зрения ее проницаемости и значительно отличается от истинной структуры ввиду искажения при обезвоживании.

Значение вязкости в уравнении Дарси для расчета коэффициента проницаемости для жидкости в сотни раз больше в сравнении с вязкостью газов. Поэтому цементный камень, непроницаемый для воды, может быть хорошо проницаем для газа.

Неполярная часть макромолекулы пеназолина адсорбируется на анионактивных (кальциевых, алюминиевых) центрах сильно диспергированных цементных частиц, а полярная свободно ориентируется в жидкой фазе. Образуются коллоидные адсорбционные слои гидрофобного характера, препятствующие агрегации цементных частиц с образованием флокул, т.е. водоотстою, тем самым обеспечивая седиментационную устойчивость и переводя структуру цементно-водной суспензии из коагуляционной в пептизационную. Уменьшение сопротивления сдвигу обеспечивает увеличение подвижности цементного раствора. Пеназолин, взаимодействуя с гидроксидом кальция цементного камня, образует мелкодисперсный двухводный сульфат кальция, который в свою очередь реагирует с трехкальциевым алюминатом с образованием высокосульфатной формы алюмината кальция с ориентированием вокруг нее 31 молекулы воды (3CaO Al₂O₃ 3CaSO₄ 31H₂O), уменьшая содержание последней в свободном виде, что способствует снижению водоотдачи тампонажного раствора. В целом пониженное водосодержание раствора и мелкокристаллическая структура цементного камня с малым объемом порового пространства способствуют уменьшению его газопроницаемости. Технический сульфат натрия, содержащий в качестве примеси себациновую кислоту, способствует регулированию рН раствора и поддержанию его на уровне, обеспечивающем растворимое состояние пеназолина. При отсутствии в воде затворения технического сульфата натрия и наличии в ней полиакриламида происходит взаимодействие сульфатной формы имидазолина с аммиаком и переход за счет этого имидазолинов в нерастворимое состояние. При этом в воде затворения появляются комочки пастообразного вещества.

Известны составы бетонных смесей, содержащие пеназолин и его производные с целью повышения степени гидрофобизации, сульфато- и морозостойкости бетона (а. с.N 638564, кл. С 04 В 13/24, 1977; N 727591, кл. С 04 В 13/24, 1978), с целью повышения прочности на сжатие, адгезии раствора, химической стойкости, снижения водопоглощения и водопроницаемости (а. с. N 893940, кл. С 04 В 13/24, 1980; N 1701711, кл. С 04 В 41/64, 1989), с целью повышения прочности бетона, а также стойкости его в условиях капиллярного подсоса и испарения водных растворов солей (а.с.N 908764, кл. С 04 В 13/24, 1980).

Известны составы тампонажных растворов, содержащие в качестве добавки сульфат натрия с целью увеличения подвижности в интервале температур при 25-45^оС при одновременном увеличении ранней прочности и снижении усадки (а. с. N 1434078, кл. Е 21 В 33/138, 1986), с целью повышения качества изоляции за счет увеличения устойчивости тампонажного камня размыву промывочными жидкостями (а.с. N 1559115, кл. Е 21 В 33/138, 1988).

Известны составы комплексных добавок для бетонной смеси и строительного раствора на основе цемента, содержащие соли натрия или калия, образующие малорастворимые соединения с ионами кальция, с целью повышения пластичности и воздухововлечения (а.с.N 833714, кл. С 04 В 13/24, 1979), с целью повышения степени поляризации пароразогретой бетонной смеси (а.с. N 916471, кл, С 04 В 13/24, 1979), в смеси с гидроксидом натрия с целью интенсификации твердения и исключения коррозии арматуры (а. с. N 214364, кл. С 04 В 13/20, 1965), с целью повышения водостойкости (а.с.N 1235842, кл. С 04 В 9/04, 1984), с целью повышения прочности, в качестве активизатора твердения (а.с.N 635059, кл. С 04 В 7/14, 1977; N 619456, кл. С 04 В 7/14, 1976), с целью ускорения твердения в ранние сроки (а.с. N 1038309, кл. С 04 В 7/14, 1983; N 1232657, кл. С 04 В 7/14, 1984), в смеси с оксидом железа, с целью увеличения степени расширения при сохранении трещиностойкости (а.с. N 1165657, кл. С 04 В 7/153, 1983).

Использование пеназолина и технического сульфата натрия по заявляемой цели не выявлено по имеющимся источникам известности.

Заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень, т.к. оно явным образом не следует из уровня техники.

П р и м е р 1. В 580,1 мл (58,01 мас.) воды растворяют 2 г (0,2 мас.) технического сульфата натрия, затем растворяют 1 г (0,1 мас.) пеназолина при перемешивании в течение 15-20 мин. В полученный коллоидный раствор вводят при перемешивании 21,4 г 7% -ного гелеобразного полиакриламида ( 1400 кг/м³) (21,4 г раствора, содержащего 19,9 мл (1,99 мас.) воды и 1,5 г полиакриламида (0,15 мас.) в пересчете на сухое вещество). Полученной жидкостью затворяют 1000 г (100 мас.) портландцемента. Проводят лабораторные испытания: водоотдача 35 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 5 дПа, водоотстой 0,2% двухсуточная прочность цементного камня 2,40 Мпа, газопроницаемость 2,0210^-3 мкм².

П р и м е р 2. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас./г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,25/2,5 или 35,7 г 7%-но- го р-ра, = 1400 кг/м³ в котором содержится
33,21 мл (3,32
мас. ) воды Технический суль- фат натpия 0,4/4 Пеназолин 0,5/5 Вода 58,68/586,8 Проводят все операции так, как в примере 1. Водоотдача 14 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 9 дПа, водоотстой отсутствует, двухсуточная прочность цементного камня 2,40 МПа, газопроницаемость 1,50.10^-3 мкм².

П р и м е р 3. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас./г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,20/2,0 или
28,57 г 7%-ного
р-ра, 1400
кг/м³, в котором
содержится
26,57 мл (2,657
мас. ) воды Технический сульфат натрия 0,3/3 Пеназолин 0,3/3 Вода 58,343/583,43
Проводят все операции так, как в примере 1. Водоотдача 21 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 7 дПа, водоотстой отсутствует, двухсуточная прочность цементного камня 2,80 МПа, газопроницаемость 1,19^.10^-3 мкм².

П р и м е р 4. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас./г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,25/2,5 или
35,71 г 7%-ного
р-ра, 1400
кг/м³, в котором
содержитcя
33,21 мл (3,32
мас. ) воды Технический суль- фат натрия 0,5/5 Пеназолин 0,5/5 Вода 57,68/576,8
Проводят все операции, как в примере 1. Водоотдача 20 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 12 дПа, водоотстой 0,4% двухсуточная прочность цементного камня 2,72 МПа, газопроницаемость 1,21.10^-3 мкм².

П р и м е р 5. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас./г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,14/1,4 или
20 г 7%-ного
раствора, 1400 кг/м³,
в котором со-
держится 18,6
мл (1,86 мас.)
воды. Технический сульфат натрия 0,3/3 Пеназолин 0,05/0,5 Вода 58,14/581,4
Проводят все операции так, как в примере 1.

Водоотдача 69 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 48 дПа, водоотстой 0,5% двухсуточная прочность цементного камня 2,21 МПа, газопроницаемость 1,63.10^-3 мкм².

П р и м е р 6. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас./г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,20/2 или
28,57 г 7%-ного
р-ра, 1400
кг/м³, в котором
содержится 26,57
мл (2,657 мас.)
воды Технический сульфат натрия 0,1/1 Пеназолин 0,2/2 Вода 58,343/583,43
Проводят все операции, как в примере 1. Происходит коагуляция паназолина.

П р и м е р 7. Готовят тампонажный раствор при следующем соотношении компонентов, мас,/г: Портландцемент 100/1000 Полиакриламид 0,25/2,6 или
37,14 г 7%-ного
раствора, 1400 кг/м³, в ко-
тором содержит-
ся 34,54 мл (3,454
мас. ) воды Технический сульфат натрия 0,3/3 Пеназолин 0,6/6 Вода 58,546/585,46.

Проводят все операции так, как в примере 1. Водоотдача 19 см³/30 мин, предельное динамическое напряжение сдвига 15 дПа, водоотстой 0,1% двухсуточная прочность цементного камня 2,64 МПа, газопроницаемость 1,30^.10^-3 мкм².

Содержание в тампонажном растворе полиакриламида в количестве менее 0,15 мас. и пеназолина в количестве менее 0,2 мас. нецелесообразно, т.к. не способствует стабилизации свойств тампонажного раствора по водоотдаче и седиментационной устойчивости, а содержание технического сульфата натрия в количестве менее 0,2 мас. приводит к коагуляции пеназолина.

Содержание в тампонажном растворе полиакриламида в количестве более 0,25 мас. и пеназолина в количестве более 0,5 мас. нецелесообразно, т.к. не способствует улучшению технологических показателей тампонажного раствора. Содержание технического сульфата натрия в количестве более 0,4 мас. ускоряет схватывание раствора, что не обеспечивает возможности его доставки в зону изоляции. Содержание воды в заявляемых пределах обусловлено необходимостью получения тампонажного раствора с растекаемостью 18-20 см по конусу АзНИИ для обеспечения его прокачиваемости и нормальной работы оборудования.

По сравнению с прототипом седиментационная устойчивость повышается в 3-7 раз, а при оптимальных значениях водоотстой отсутствует. Газопроницаемость цементного камня уменьшается в 4-10 раз, что в целом повышает качество крепления скважин, обеспечивая образование надежного изоляционного комплекса.

Формула изобретения

ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ РЕМОНТНЫХ РАБОТ И КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН, содержащий портландцемент, полиакриламид, стабилизирующую добавку, сульфатсодержащий реагент и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве стабилизирующей добавки пеназолин, а в качестве сульфатсодержащего реагента технический сульфат натрия отход производства себациновой кислоты, получаемый при нейтрализации натриевых солей жирных кислот серной кислотой, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Портландцемент 100
Поликриламид 0,15-0,25
Технический сульфат натрия 0,2-0,4
Пеназолин 0,1-0,5
Вода 60-62