Способ цементирования скважин

 

1. СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий предварительное закачивание в скважину фильтруюгцегося реагента с последующим докреплением цементным раствором, отличающийся тем, что, с целью повышения проникакнцей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов, предварительно закачивают фильтрующийся водный аэросильно-щелочной воль с концентрацией органоаэросила 0,051 ,2%, а затем закачивают кольматирующий водный аэросильно-п1елочной гель с концентрацией органоазросила 512% . i 2.Способ по п.1, отличающий с я тем, что используют аэ (Л росильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелоС чи 8:1 - 12:1. 3.Способ ПОП.1, отлича ющ и и с я тем, что в качестве органоаэросила используют диэтиленгликольаэросил . со со о ел :о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ФОЦ Л

РЕСПУБЛИН (19) (11), з(51) Е 21 В 33/138

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ h

h

Р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3524677/22-03 (22) 01.10.82 (46) 23.06.84. Бюл, 23 (72) Г.Р.Вагнер, А.С.Гараев, В,N.Ãoðáà÷åâ, H.Н.Круглицкий, В.В.Чепига, Л.И.Шейнцвит, В.A.Íóìèлов и А ° A.×óéêî (71) Институт коллоидной химии и химии воды им. A.Â.Äóìàíñêîão (53) 622.245.42(088 8) (56) 1. Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. М., "Недра", 1977, с. 123.

2. Проведение ремонтно-изоляционных работ в сложных гидродинамических условиях. Обзорная информация. Нейтепромысловое дело. М,, ВНИИОЭНГ, 1981, с. 1-19, 3. Грайфер В.И. и др. Организация и технология капитального ремента скважин. М., "Недра", 1979, с. 41-43 (прототип). (54)(57) 1. СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

СКВАЖИН, включающий предварительное закачивание в скважину фильтрующегося реагента с последующим докреплением цементным раствором, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения проникающей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов, предварительно закачивают Фильтрующийся водный аэросильно-щелочной золь с концентрацией органоаэросила 0,051,2%, а затем закачивают кольматирующий водный аэросильно-щелочной гель с концентрацией органоаэросила 512%.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю- е

Я шийся тем, что используют аэросильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелочи 8:1 — 12:1.

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве opra- Я ноаэросила используют диэтиленгликольаэросил.

1099053 значительна, упрочнение цементного камня замедлено. Вследствие перечисленных причин при использовании известного способа цементирования также не всегда достигается положительный результат, особенно при невысоких температурах ствола скважин и низком содержании электролитов в пластовой воде, что характерно, в частности, для большинстна месторождений Западной Сибири.

Цель изобретения — повышение проникающей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу цементирования скважин, включающему преднарительное закачивание в скважину фильтрующегося реагента с последующим докреплением цементным раствором. предварительно закачивают фильтрующийся водный аэросильно-щелочной золь с концентрацией органоаэросила 0.05-1.2%. а затем закачивают кольматирующий водный аэросильно-щелочной гель с концентрацией органоаэросила 5-12%.

Кроме того, используют аэросильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелочи 8:1

12:1.

В качестве органоаэросила исполь— зуют диэтиленгликольаэросил.

Применяемые реагенты — аэросильно-щелочной золь (АЩЗ и аэросильнощелочной гель (АЩГ1 содержат одни и те же ингредиенты (органоаэросил и щелочной компонент и представляют собой водные стабильные дисперсии коллоидного кремнезема, но находятся они в различном физическом состоянии, обусловленном концентрационным диапазоном твердой фазы.

АЩЗ вЂ” опалесцирующая жидкость, в объеме которой равномерно распределены свободновзвешенные индивидуальные частицы органоаэросила, Это позволяет реагенту свободно фильтроваться в микропоры породы, а вследствие действия стерических и адсорбционных факторов, удерживаться в них.

АЩà — структурированная студнеобразная. дисперсия, в ее объеме микроагрегаты частиц органоаэросила фиксированы в пространственной легкоподвижной тиксотропной коагуляционной сетке. Это позноляет реагенту при движении заполнять трещины, крупные поры и кольматировать их, структурируясь в локое и под воздействием электролитов.

Способ осуществляется следующим образом.

Перноначально закачивается расчетное количестно приготовленного в мернике цементировочного агрегата

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к способам первичного цементирования неустойчивых стволов скважин и проведению ремонтно-изоляционных водопритоков через нарушенный цементный камень и тонкопористые пласты стенок скважин.

Известны различные варианты способа цементирования скважин, предусматривающего повышение устойчивости стенок пробуренных сква.«ин и устранение перетока флюидов, сущность которого заключается в последовательной закачке кольматирующего и крепящего составов, например 3-30Ъ-ных растворов водорастноримых силикатов, 15 золой кремнезема, образующихся в ре- . зультате взаимодействия кремниевых

«ислот пластовых вод и НС1 (1), а также синтетических смол или .концентрированных растворов полимеров (? 1с последующим докреплением цементными суспензиями. Применение этого способа обусловлено хорошей структу1 рирующей и адгезионной способностью тампонажных материалов. 25

Однако этот способ цементирования не всегда позволяет достичь нужного эффекта вследствие низкой проникающей сцособности применяемых реагентов, которые не фильтруются в пласт.

Кроме того, золи водорастворимых силикатов и кремниевой кислоты мгновенно коагулируют при изменении рН среды, а при контакте с пластовой ,нодой мгновенно превращаются в осаж,дающийся плотный гель. о

Поэтому тонкодисперсные — 15-20 A частицы и молекулы раствора подходят к пласту н виде хлопьевидных агрегатов, кольматируют его на неэначи- 40 тельную глубину, забивают вход в поры, и дальнейшего проникновения реагента не происходит, Если в качестве кольматирующего состава применяются синтетические смолы — фенолформальдегидные, акриловые, зпоксидные и др., то структурированный слой также образуется в зоне контакта закачиваемого реагента с цементом, что обусловлено высокой вязкостью смол и наличием в них крупных надмолекулярных образований, скапливающихся у поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ цементирования скважин, включающий предварительное закачивание и скважину фильтрующего реагента с последующим докреплением цементным раствором (3).

При изнестном способе цементирования мицеллы полимера проникают н поры пласта более глубоко, однако полимерный коагулят в порах имеет невысокую структурирующую способность, а адгезия на границе с цемент— ным раствором н контактной зоне не- 65

1099053 или в промежуточной осреднительной емкости АЩЗ, полученного путем последовательного растворения (пепти,зации) в 0,1 м.> воды 0.05 кг щелочи или соды и 0,5 кг органоаэросила.

Затем закачивается расчетное количество приготовленного таким же способом АЩГ, в котором на 0,1 м воды приходится 1 кг щелочи или соды и

10 кг органоазросила. После чего закачивается цементный тампонажный

10 раствор.

Аэросильно-,щелочные реагенты готовятся на основе гидрофильных (смачиваемых водой) органоаэросилов диэтиленгликольаэросила (АДЭГ), ами- 15 ноэтоксиаэросила (A3A), карбоксиаэросила (KOA),бутоксиаэросила (Б50) и др., и щелочного компонента йaOH,,KOH, Ма СО

При осуществлении предлагаемого 20 способа цементирования допустимо в зоне смешения соотношения AI!3 v АЩГ в любом концентрационном диапазоне.

В табл.1 приведены,реологические характеристики (и,г) и пластическая 25 прочность Р АЩЗ и АЩГ в зависи мости от концентрации АП Г, вила щелочного компонента при соотношении органоаэросил-щелочь — 10-1.

Концентрационный диапазон органоаэросила в АЩЗ и АЩГ выбирался исходя из реологических свойств реа гентов (табл. 1 ) и их способность к фильтрации (АЩЗ вЂ” табл.З ) — и структурированию, которые зависят от внутреннего строения дисперсии размера агрегатов, их свободного распределения или сцепления в объеме системы. Соотношение органоаэросила со щелочным компонентом и вид органоаэросила обусловливались раз- 40 мером частиц и временем их скрытой коагуляции в пластовой воде (табл.2I.

Концентрационный диапазон твердой Фазы в АЩЗ обусловлен: нижняя граница 0,05% — эффективностью за- 45 иливающего действия в керне (стеклянный фильтр Щотта с размером пор

7 мкм ) с самыми тонкими порами, верхняя граница — 1,2%. предопределена агрегированием частиц органоаэросила в золях с более высокой.концентрацией, что видно из электронно-микроскопических исследований дисперсности. В золях 0.05%-ной концентрации обнаружены только одийочные час,тицы 40-100 K в золях 0.5-1,2% концентрации имеются частицы и агрегаты с размерами (100-400 АI говышение концентрации свыше 1,2Ъ приводит к появлению агпегатоэ с размером до

1 мкм, такие агрегаты образуются и в пластовой воде.

Из табл, 1 и 3 видно, что в АЩЗ нижний концентрационный предел (0,05" органоаэросила) твердой фазы обоснован началом удерживания частиц 65 в порах, что должно обуслоэить постепенное заклинивание тонких пор, верхний концентрационный диапазон является пределом существования неструктурированной устойчивой системы, о чем свидетельствует появление предела текучести () и пластичес.кой прочности (Р ), а также резкое .возрастание вязкости (y, )что приводит к снижению проникакщей способности золя (уменьшению количества прошедшей сквозь лоры твердой фазы при увеличенном времени фильтрации I так как появление крупных агрегатов в эоле снижает его седиментационную устойчивость и ведет. к отложению твердой фазы на поверхности.

Концентрационный диапазон твердой фазы в АЩГ выбран в соответствии с реологическими и прочностными характеристиками геля — концентрационному диапазону 5-12% соответствует оптимум по комплексу: минимальное значение вязкости, напряжения сдвига в потоке и высокие величины пластической прочности в покое.

Как видно из табл.1, АЩГ при концентрациях органоаэросила до 5% отличается еще очень низкой пластической прочностью, пределом текучести и вязкостью пространственной струк.туры, что не обеспечивает ее стабильности и способности к эффективному структурообразованию в крупных порах. При концентрациях выше 12% наблюдается сильное нарастание вязкосТи системы (4,) что предопределяет ухудшение степени заполнения тонких трещин реагентом, при этом отсутствует значительное дополнительное упрочнение р структуры под влиянием пластовой воды, в связи с чем дальнейшее повышсние концентрации АЩГ неэффективно, так как проникающая способность реагентов и прежде всего АЩЗ особенно в присутствии пластовой вОды является наиболее важным звеном в достижении эффекта от предлагаемого способа. Эти органоаэросилы в щелочных растворах образуют золи с различной степенью устойчивости частиц к агрегации, зависящей от природы поверхности аэросила и концентрации щелочи.

Установлено, что минимальное соотношение органоаэросил-щелочь, при котором частицы находятся полностью в дезагрегированном состоянии (в чистой воде они выпадают в виде осадка ), составляет 12:1,.максимальное соотношение — 8:1 обусловлено тем, что при дальнейшем повышении конО центрации щелочи начинается постепенное растворение частиц аэросила вплоть до получения истинных растворов вместо золей (табл.2). I

1099053

Однако истинные растворы при сме шении с пластовой водой мгновенно дают осадок, в связи с чем исключается возможность их закачки в поры пласта, тонкодисперсные органоаэросильнощелочные золи при нэаимодейстнии с пластоной водой коагулируют лишь через 20-30 мин (табл.2 что позволяет им проникнуть на заданную глубину.

Наиболее устойчивые к агрегации частиц органоаэросильные золи получаются на основе диэтиленгликольаэросила, эти эоли представляют собой опалесцирукяцие, не расслаивающиеся в процессе длительного хра- )5 нения, перемешинания, температурного воздействия (10-70 С ) системы с минимальным размером частиц (табл.2).

Закачинание фильтрующего разбавленного водного органоаэросильно- 20 щелочного реагента, в котором твердая фаза — органокремнеэем, имеет минимально возможный для условий современной технологии получения устойчивых коллоидных золей размер 25 индивидуальных шарообразных частиц

100-200 A (табл.3), позволяет обеспечить проникновение золя .н поры и дефекты с диаметром 0,1-7 мкм на любую необходимую глубину по пласту и путем заиливания закупорить самые тонкие из них. Заполнение объема тонких пор происходит необрати: о, ибо частицы — агрегаты кремнезе:мов не подвержены усадке. перекристаллизации или раствопенив н обычных условиях пласта и удерживаются в каналах за счет межмолекулярных сил, водородных связей и стерических факторов, со временем происходит химическая конденсация межчастичных 40 концевых силанольных групп. Как видно иэ табл.3 применение предлагаемого способа цементиронания по сравнению с известным (фильтрация гипана) позноляет увеличить проникающую 45 способность в поры с размером 0,13 мкм в 4 раза, с размером 3-7 мкм в два раза и заполнить поры и трещины диаметром менее 0,1 мкм, в которые

Ранее вообще не наблюдалось проникно-50 вение реагентов, так как все они на таких тонкопористых Фильтрах (поро де, цементном камне) полностью отлагаются на поверхности.

Последующее закачинание концентрированного водного органоазросильнощелочного реагента АЩГ, обладающего отличными реологическими свойствами рыхлой пространственной коагуляционной структуры геля (табл.1) и состоящего иэ агрегатов частиц органоаэросила с размером 0,1-1 мкм, способных дополнительно медленно коагулировать при воздействии электролитов пластовой воды, обеспечивает кольматацию пор и выемок в породе и 65 старом цементном камне с размером входных отверстий до 10 мкм, Сплошной припонерхностный структурированный Слой из гийана, покрывающий керн, содержит много дефектов, воздушные включения, АЩГ, закачиваемый после заполнившего мелкие поры АЩЗ, плотно кольматирует каждую крупную выемку керна.

Поэтому фильтрация пластоной воды (табл.4) через закольматированные

АЩЗ и АЩГ песчаные керны значительно затруднена уже в первые минуты после проведения изоляционных работ, а благодаря повышенной структурирующей способности реагентов она к семи суткам на порядок ниже, чем в случае применения полимерного материала. Данные, приведенные в табл.2 (пластическая прочность в пресной и соленой воде ) и табл.4 (соотношение профильтрованной воды после кольматации и через 7 сут . выдержки), позволяют сделать вывод о том, что структурирующая сиособность реагентов по предлагаемому способу цементирования в 2-4 раза выше по сравнению с известным способом.

Докрепление цементным раствором позволяет завершить процесс изоляции и создать на контакте АЩà — цементный камень быстротвердеющую с нысокой адгеэионной прочностью контактную зону (табл. 5 и б).

Под влиянием кальцийсодержащего фильтрата тампонажного цементного раствора резко увеличивается прочность АЩГ н цриповерхностном структурированном слое, а в свою очередь воздействие геля на цементный растВор при взаимопроникновении состанон ускоряет схватывание и твердение крепящего деме -..тнoго раствора в отличие от замедляняцего действия гипана.

Как свидетельствУют данные табл.) адгезионная способность тампонажных материалов при использовании предлагаемого способа цементирования по сравнению с известным возрастает в ранние сроки отвердевания (нарастание пластической прочности ) н

2,5 — 4 раза„ в поздние сроки (микротвердость через 7 сут. ) в 1,21,3 раза.

Происходящее вблизи припонерхностной контактной зоны смешение остатков ранее закаченного АЩГ с крепящим цементным растнором позволяет ускорить схватывание тампонажного материала и улучшить прочностные показатели цементного камня, полученного из растнора эоны смешения АЩГ с цементом, как это показывают результаты испытаний приведенные н табл.б.

Эти свойства контактной зоны и камня предупреждают размывание тампонаж ного материала.

1099053

Т а б л и ц а 1

1.0

0.01

0,03

0,05

0,10

0,50

Na0H

NaOH

1,0

Na0H

NaOH

1,3

N aOH

N aOH

1,5

1,00

1,5

ЯаОН

0,2

3,0

NaOH

0,2

4.0

NaOH

12,0

0.6

NaOH

29,0

NaOH

2,9 132

74 62,0

1,5

40,0

NaOH

2.4

51,0

71,0

NaOH

4,4

N aOH

На,СО, 0,7 60

2,8 120

0,8 71

22 17,0

47 80,0

13 16,0

0,7

8,0

1,2

36,0

Ыа СО

0,5

KOH

7,0

35,0

5 Гипан известный

176

7,6

Таблица

АДЭГ

0,1

0,001

Расслаивающаяся суспензия

0,1

0,002

0,005

0,008

То же

Золь

0,1

100

0,1

10-50

Предлагаемый способ цементирования позволяет по сравнению с известным способом повысить успешность изо1, 20

1. 50

2,00

5,00

7,00

10,00

12,00

15,00 ляционных работ и обеспечить долговечность герметизации скважин.

0 1.0 0 0

0 1,0 0 0

0 1.1 0 0

0 1,5 0 0

0 1.5 0,15 0

0 2.0 0,15 1

1 2.5 0,2 2

5 4.5 0.3 8

22 5,0 0,2 34

40 18,0 0,7 62

55 58,0, 2,3 98

103 70,0 4,2 170

137 89,0 5,6 200

36 60,0 2,4 118

43 180,0 8,3 94

1099053

Аэросил "остав, %

Аэросил

Щелочь

0,1

° 1

0,1

0,1

5-10

0,1

5-10

0,1

0,1

0,1

Раствор

Золь

0,01

50-100

Б-50

0,1

0„012

10-100

0,1

0,1

0,01

АЭА

0,1

0,012

0,1

0,01

KOA

0,1

Расслаивающаяся суспензия

0,1

То же

300-5000

100-3000

Суспензия

0,1

0 15

Раствор

Мицеллярный раствор

5 Гипан известный

100-1000

0,1

100

100

0,1+3

100

100

3+5

100

100 о

100

100

0,03

0,1

100

О, 1+3

100

3+5

100

100

100

100

Аэросил немоди- 0,1 фицированный

0,1

0,01

0,012

0i013

0,015

0,05.0,012

0,01

0,012

0,05

0,10

Продолжение табл. 2

Физическое Размеры ча- )ремя начала состояние стиц, нм коагуляции, мин

10-40

10-40

5-40

10-100

100-200

100-1000

100-1000

1099053

Продолжение табл. 3

Г Концентрация

АДЭГ, Ъ

Жидкость Твердая фаза

0,1

0,05

0,1+3

3+5

100

100

15

0,1

0,5

0 i1+3

20

15

100

3+5

10

100

50

0,1

1,2

30

0,1+3

35

3+5

62

60

0,1

1,5

60

О, 1+3

12

3+5

51

60

1i0 извест- 0,1

10 б

11 5

О, 1+3

60

3+5

40

42

5 Гипан иый Размер микропор фильтра, мкм

О 05 ЩЗ+3 АЩГ

О, 05 И1!3 5 А1 1Г

Количество фильтрата, Таблица 4

Ьремя фильтрации,мин

>099053

Продолже ние табл. 4

Количество фильтрата, Ъ

Концентрация реагентов, %

После Через кольма- 7 сут. ации

0,07 АЩЗ+7 АЩГ

0,1 АЩЗ+10 АЩГ 22

1 АЩЗ+12 АЩГ

1 АЩЗ+15 АЩГ

1,2 АЩЗ+10 АЩГ 20

5 Гипан (известный) 90

Т а

2,4

5,3 11,4

2,9

20,0 2,49

23,0 3,69

3,0

5 5

12,2

3,0

5,6

12,3 23,8 3,80

1,0

5 3

6,3 1 35

7 АЩГ+0,7 Ма Со с пластовой водой

Зг4 9с3 13г6 35г0 Зю50 5i11

5 Гипан с пластовой водой известный

1,5 4,4 6,0 12,0 1,60 2,43

9,7 0,89

6,4 1,26

2,9

1:3

800

То же

10 АДЕГ+

1,0 Ма СО

1:12

18 1130 10,6 0,74

17 736 10,1 1,03

3,0

1:3

То же

1,8

5 АЩГ+0,5 На Со

7 АЩГ+0,7 NazCO>

10 АЩГ+1,0 Na2CO

12 АЩГ+1,2 иагСО

5 Гипан известный

5 4 10,2 16,0 2,37

4 10 0,023

4,15 0,020

5,01 0,019

5,53 0,021

2,10 0,009

1099053

15

Продолжение табл. 6 ь т в

4 5

25 1380

0,6

11,2 1,20

5 Гипан (прототип) 1:12

0,1

Из-эа седимента- 0,05 ционной неустойчивости определение невозможно

20

1:3

То же

Составитель E. Тангалычев

Техред M Куэьма

Редактор Г.Волкова

Корректор p3,Макаренко

Подписное о

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4335/27 Тираж 564

ВНИИПИ ГосУдарственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5