Тампонажный раствор

 

Изобретение относится к добыче нефти и газа. Цель - получение камня, непроницаемого для жестких пластовых вод и проницаемых для нефти. Тампонажный раствор содержит следующие компоненты при их соотношении, мас.%: тампонажный цемент 10-21; кварцевый песок 15-35; силикат натрия 8-12; вода остальное. Жесткость воды составляет 0,05-5,0 мг-экв/дм ; крупность песка 0,5-0,9 мм. Сухую смесь песка и цемента затворяют водным раствором силиката натрия. Проницаемость цементного камня при твердении в жесткой пластовой воде составляет 10-30 -.10 , а при твердении в нефти - на порядок выше. 5 табл.,1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 33/138, 43/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4712916/03 (22) 12.06.89 (46) 15.04.92. Бюл ¹ 14 (71) Научно-исследовательский и проектный институт по освоению месторождений нефти и газа Типроморнефтегазн (72) А. Б. Сулейманов, К. К. Мамедов, А, М.

Ширинов, Ф. А. Меликбеков, 3. Т. Гасанов и

Н. Б. Нуриев (53) 622.245.42(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1091616, кл. Е 21 В 33/138, 1982.

Булатов А. И. Данюшевский В. С. Тампонажные материалы. М.: Недра, 1987, с.

148.

Изобретение относится к добыче нефти и газа и может быть использовано для одновременного крепления и водоизоляции пород приэабойной зоны скважины.

В результате применения известных составов удается либо укрепить горную породу, либо произвести водоизоляцию обводненных пропластков.

Известен состав для. крепления неустойчивых пород, включающий силикат щелочного металла, например силикат натрия, ПАВ, например ОП вЂ” 10, и воду.

Недостатками известного состава являются низкая прочность образующегося состава и невозможность водоиэоляции, Экспериментальные исследования дают значения прочности не более 0,03 МПа, что неприемлемо для условий эксплуатационных скважин.

Известен состав для изоляции водоносных зон нефтяных пластов, содержащий водорастворимый полимер, сил икат

„„. Ж „„1726731 А1 (54) ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР (57) Изобретение относится к добыче нефти и газа. Цель — получение камня, непроницаемого для жестких пластовых вод и проницаемых для нефти. Тампонажный раствор содержитследующие компоненты при их соотношении, мас.7,: тампонажный цемент 10-21; кварцевый песок 15 — 35; силикат натрия 8-12; вода остальное.

Жесткость воды составляет 0,05-5,0 мг-зкв/дм;

3. крупность песка 0,5-0,9 мм. Сухую смесь песка и цемента затворяют водным раствором силиката натрия. Проницаемость цементного камня при твердении в жесткой пластовой воде составляет 10-30:1 0 мкм2, а при твердении в нефти — на порядок выше. 5 табл.,1 ил, т

Щ щелочного металла (натрия или калия). спирт и воду.

Однако применение его возможно только для изоляции вод высокопроницаемых пластов без-.крепления приэабойной зоны скважины; мгновенное схватывания состава при встрече с минерализованной водой;получаемая впласте геле- М ооразная масса выдерживает лишь Сг незначительные нагрузки..

И" вестно также, что водный раствор си- (д) ликата натрия обладает высокой водоиэолирующей способностью, но не может укреплять рыхлые породы нефтеносных,3 пластов.

Наиболее близким к предлагаемому является состав для крепления зоны скважин, включающий кварцевый песок, тампонажный портландцемент, силикат натрия.и воду.

Недостатком прототипа является его непроницаемость для нефти.

1726731

Цель изобретения — получение камня, непроницаемого для жестких пластовых вод и проницаемого для нефти.

Поставленная цель достигается тем, что в известном составе для крепления, включающем тампонажный портландцемент, кварцевый песок, силикат натрия и воду, компоненты взяты в следующем соотношении. мас. :

Тампонажный цемент 10 — 21

Кварцевый песок 15 — 35

Силикат натрия 8 — 12

Вода Остальное, причем жесткость воды составляет 0,05-5,0 мг-экв/дм, а кварцевый песок имеет размер зерен 0,5 — 0,9 мм.

Использование предлагаемого состава позволит проводить при креплении неустойчивых пород одновременно и изоляцию пластовых вод и получить прочный камень; проницаемый для нефти.

За счет этого значительно сокращаются материальные затраты и время простоя скважин.

Предлагаемый состав для крепления отличается от известного тем, что, во-первых, компоненты взяты в следующем соотношении, мас., Тэмпонажный портландцемент 10 — 21

Кварцевый песок 15 — 35

Силикат натрия 8 — 12

Вода Остальное во-вторых, в отличие от прототипа, песок взят с зернами размером 0,5 — 0,9 мм, а концентрация водного раствора силиката натрия, используемого для затворения, составляет 10.7-27,3 мас. .

Далее, жесткость возды в составе составляет 0,05 — 5,0 мг-экв/дм .

Анализ известных составов для крепления пород показывает, что состав обладает по сравнению с известным повышенной прочностью образующегося камня, во-первых. и проницаем для нефти, во-вторых. Известно использовайие портландцемента и кварцевого песка в силикатных составах, но в данном составе применяется измельченный песок и вода, позволяющие получить непроницаемый цементный камень. В предлагаемом же составе применен песок с зернистостью 0,5 — 0,9 мм и вода с жесткостью

0,05 — 5,0 мг-экв/дм, что позволяет получить з прочный и в то же время проницаемый для нефти камень.

Известно также, что растворы силиката натрия обладают водоизолирующей способностью в пластовых условиях, Концентрация водного раствора силиката натрия здесь составляет 1,6 — 10, в то время, кэк в предлагаемом составе онэ составляет

10,7-27,3 „ ь в воде с жесткостью ОР5-5,0 м Г-эк В /дм

Такая вода позволяет предотвратить об5 разование в растворе осажденных катионов магния и кальция и позволяет сохранить силикат натрия в качестве активного реагента для последующего взаимодействия с пластовой водой, содержащей эти катионы. При

10 этом взаимодействии происходит образование нерастворимого осадка, забивающего поры водоносного пропласткэ, т.е. создается эффект, водоизоляции, Контакт же сипиката натрия с нефтью не вызывает

15 изменений в его состоянии. Поэтому образующийся камень сохраняет в зоне нефтяного пропластка свою проницаемость, Для экспериментальной проверки предлагаемого состава были изготовлены

20 образцы цилиндрической формы из кварце.вого песка по ГОСТ 6139 — 78 с зернами округлой формы размером 0,5 — 0,9 мм, тэмпонажного портландцемента по ГОСТ

1581-85, силиката натрия по ГОСТ 13079 — 81

25 и пресной воды по ГОСТ 4979-49 с жесткостью 0,05 — 5,0 мг-экв/дм . Режим твердения

3 экспериментальных образцов был приближен к условиям скважины, исключающим потерю жесткости затворения в каждом

30 опыте. Три образца одного состава твердели в камере со 100 -ной относительной влажностью воздуха, погруженные в минерэлизованную воду, три других образца того же состава твердели в камере, погруженные

35 в нефть.

При твердении камня расход жидкости затворения на гидратацию цемента компенсируется за счет поступления в камень окружающей воды. Таким образом, 40 моделируется ситуация в скважине. B процессе дальнейшей гидратэции поступающая в поры песчано-цементного камня пластовая (минерализованная) вода вступает в контакт с раствором силиката натрия—

45 жидкостью зэтворения, в результате чего выпадает нерастворимый осадок, снижающий пористость. При избытке силиката натрия в жидкости затворения он вступает в контакт с минерализованной водой íà Iloверхности камня, покрывая его непроница50 емой оболочкой.

При твердении камня в. нефти реакции между силикатом натрия и нефтью не происходит, в результате чего пористость камня не снижается.

Анализ общей жесткости произведен в соответствии с ТОСТ 4151-72. Вода питьевая, Метод определения общей жесткости (см, табл. 1).

1726731

Определение проницаемости производили на установке по ОСТ 39-051-77. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Как известно, чем больше угловатость зерен, тем плотнее будет уложен песок и тем хуже будет проницаемость камня. Необходимую проницаемость можно получить при использовании кварцевого песка с зернами округлой формы, так как при этом получается максимальное пространство между ними. Это расстояние должно быть соизмеримо с размерами частиц цемента, так как при частичном вымывании цемента разрушается скелет песчано-цементного камня с одной стороны, а с другой размеры зерен должны быть такие, чтобы обеспечить свободное течение жидкостей.

Известно также, что поровые каналы бывают сверхкапиллярные (свыше 0,5 мм), капиллярные (от 0,5 мм до 0,2 мм) и субкапиллярные (менее 0,2 MM). Свободное течение возможно лишь в сверхкапиллярных и капиллярных каналах. Таким образом, фракционный состав песка выбирается в зависимости от тонкости помола цемента и. обеспечения свободного течения жидкости.

Для этого пользуются известной методикой проектирования гравийного фильтра.

По кривой гранулометрического состава цемента (чертеж, кривая 1) находят коэффициент неоднородности для цемента С1

С вЂ” doo 0,065 1 4

d1р 0,045 где d60, d10 — соответственно размеры отверстий сит, через которые проходит 60 и 10 массы частиц, мм.

Тогда базовый диаметр частиц песка бв с С1=1,4 будет ба=dgo Расчетный оптимальный диаметр зерен гравия допт=бб9о=б 0,103=0.618 мм, Для соблюдения условия С < 1,5 состав песка должен быть выбран так, чтобы 60 зерен его проходило через сито с отверстиями д6о=1,25 0,618=0,772 мм, а 10 — через сито с отверстиями

d)o = — 0,618 = 0,515 мм, S

Наносят значения d1o и диев на чертеж и проводят прямую до пресечения с осями (прямая 2). В точках пересечения прямых находят значения dp=0,5 мм и dioo=0.9 мм.. т.е, размер зерен песка должен находиться в интервале 0,5 — 0,9 мм, Результаты экспериментальной проверки приведены в табл. 3.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Сухую смесь песка и цемента на у тье скважины затворяют на водном растворе силиката натрия. После затворения тампонажного состава силикат натрия перед попадением в пласт участвует только в начавшейся реакции гидратации цемента, Состав закачивается в скважину и задавливается в пласт известными способами. После попадания в пласт в нефтеносных пропластках реакция гидратации продолжается вплоть до полного твердения песчаноцементного камня; Контакт силиката натрия с нефтью не вызывает никаких изменений в его состоянии, Поэтому песчано-цементный камень сохраняет в зоне нефтяного пропла5

15 щими примерами конкретных составов и их свойствами в сравнении и известными

55 (табл. 4. 5).

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения создается за счет сокращения одной из технологических стка свою проницаемость.

В части же тампонажного состава, находящейся в зоне водоносного пропластка, равновесие в водном растворе силиката на20 трия нарушается за счет контакта с водой с активными катионами кальция и магния, Жесткость пластовой воды обычно не менее

7-10 мг-экв/дм, хотя доходит и до 500 мгз экв/дм и более (рН=-6-8), тогда как мягкая

25 вода имеет жесткость 0,05-0,15 мг-экв/дм з (рН=8,5-10,5). что вызывает гидролизацию пластовой воды по катиону. нарушение равновесного состояния и образование нерастворимого осадка, .забивающего поры

30 водоносного пропластка. Так. например, при жесткости властовой воды 7 — 10 мгэкв/дм (рН=7,5 — 8.5-месторождение Сангаз чалы-Дуванный-море), сухой осадок составляет 20-30 г/дм, размер частиц оказ

35 ло 100 мк. плотность 1100 — 1200 кгlм Учитывая неограниченную растворимость силиката натрия в воде, этот раствор способен проникать по порам в породу на значительную глубину, повышая эффект

40 водоизоляции. Эффективность реакции растет при высокой общей минерализации пластовой воды за счет адсорбции частиц остальных солей. содержащихся в воде.

Образующийся нерастворимый тонко45 дисперсный силикатный осадок изолирует водоносные каналы пласта. действуя как цементирующее вещество, и скрепляет рыхлые породы.

В нефтеносных же каналах подобной

50 реакции не происходит и нефть свободно протекает через проницаемый для нее участок песчано-цементного камня.

Изобретение иллюстрируется следую1726731 операций, проводившихся прежде, а именно изоляции водопритоков.

Формула изобретения

Тампонажный раствор, включающий тампонажный портлаидцемент, кварцевый песок,силикатнатрияиводу,отлича ющий с я тем, что, с целью получения камня, непроницаемого для жестких пласювых вод и.проницаемого для нефти, он содержит компоненты .в. следующем соотношении, мас. ф:

Тампонажный портландцемент 10 — 21

Кварцевый песок 15 — 35

5 Силикат натрия 8 — 12

Вода Остальное, причем жесткость воды составляет 0,05-5.0 мг-экв/дм, а кварцевый песок имеет размер зерен 0,5-0,9 мм.

10 таблиц а 1

Ос>цая жесткость воды эатворения, нг экв/дмз

Компоненты, мас.Ъ

Опыты

Проницаемость, 10 з мима

Прочность при сжатии;

МПа

Кварце- Тамповый пе- нажный

Силикат Вода натрия

При твер- При твердении в денни в воде нефт> сок цемент

4,4

5,3

5,7

0,9

4,3

1 г

4

6

8

1О

11

iz

13

14

16

17

18

19

21 . гг

23

z4

26

27

zs

29

3о

31

32

33

34

36

З7

38

39

4о

18,0

2О,О гз,о

30,0

i8,o

20,0

23,0

30,0

is,î

z3,0

28,о

i8,о гз,о.

28,0

18,0 гз,о

28,0

18,о

23,0

28,0

18,0

23,0

28,0

is,î

23>0

28,0

is,о

23,0

28,0

is,о

23,0 го,о

is,î

23,0

28,0

18,о

23,0

28,0

15,0

36,0

12,0

14,а

15>0

9,0

1г,о

14,о

15,0

9,0

1г,о

15,0 го,о

1г,о

15,0

20,0

iz,o

15,0 го,о

12,0 . 15,0

20;О

1г,о

15,0

20>0

12,0

15,0

zo,î

1г,о

15,0

20,0

1Z,O

15,0

20,0

1г,о

15,0

20,0

12>0

15 О

zo,o

10,0

22,0

8,5

9,5

1О,О

1О,О

8,S

9,5

10 ° О

10,о

8,5

10,0

1О,О

8,5

1О,О

1О,О

8>5

1О,О

10,0

8,5

io,î

1О,О

8,5

1О,О

10,0

1O,Î

1О,О

10,0

8,5

1О,О

10,0

8,5

io,о

10,0

8,5

io,o

1О,О

8,5

10,0

10,0

s,u

1З,О

61,5

56,5

52,0

51,0

61,5

56,5

52,0

51,о

61, 5

52,0

42,0

61,5 52, О

Rt>o

61,5

52,0

42,о

61,5

52,0

42,0

61,5

52,0

42,0

61,5

52,0

42,0

61,5

52,0

42,0

61,5

52,0

42,0

61,5

52, О

4г,о

61,5 .52, О

"2,0

67,О г9,0

0,03

0 05

0,05

0 05

o,io о,iî

o,io о,10

o,zo

0,20

О,20

1,0О

1,ОО

1,ОО

2,50

2,50

2,50

5,00

5,00

5,00

7,50

7,50

7,50

1О,О

10,0

iÎ,0

12,5

12,5 ..

12,5

15,0

15,0

15,0

5,50

5,50

5,50

4,So

4,50

4,50

5,00

5,00

28

24

16

39

34

29

19

44

38

26

32

43

36

36

47

39

38

49

42

43

134

96

162

154

117

149

14i

2ЗО

168

173

103

126

91

4о

41

192

З4о

254

34о

z4S

262

251

168

243

167

269 г45

169

2s5

248

183

269

198

244

178

282

253 го1

296

244

194

261

164

230

5,3

5,6

0,9

4,4

5,6

4,5

4,4

5,7

4,3

4,5

5,7

4,4

4,4

5 ° 6

4,3

4,3

5,5

4,2

4 ° 3

5,5

4,5 4,4

5,6

",3

4,5

5,7

4,г

4,5

5,6

4,3

4,4

5,7

4,4

4,5

0,9

1726731

Таблица 2

Компоненты, мас.ь

Про чност ь пру сжа° гни, ИПа:

П ро ниц аемост ь, 10 з мкм

Опыт

Пресная вода

Силикат натрия

Тампонажный

Кварцевый пеПри твер" денни в: воде

Ври твефдении в нефти сок цемент

7,2

6,9

4,7

1,1

4,5

4,4

4,2

5,3

5,7

5,4

3,7

4,3

3,6

4,5

4,1

1,2

1,О

О 9

0,9

Табли ца 3.

Проницаемость, Прочность

Компоненты, мас.4

Серии опыта

Диаметр зерен песка, мм

l U з мкмжд при сжатии, ИПа

Кварцевый пеТампоПресная вода

Силикат натрия нажный цемент при твердении в воде при твердении в нефти сок

25,0, 2),0 10,о

2S,o 22,о 9,о !

5,0 ll,u G,о . 20,0 !6,0 Il,O

12>о 22,0 8,0

250 !ОU 80

20,0 22,0 9,0

2о,о . 22,0 8,0

36,0 22,0 lа,о !

8 о !2,0 8,5

20,0 !4,0 9,5

23,0 !5 О lO O

30,0 9,0 10,о !

4,0 20,0 8,0

36,î l4,o 8 о

4,9

5,!

4,7

4,22

5,4

4,ь

4,2

4, 5

1,2

9о

l Иенее 0.,350

0.350

2 0,350-0,495

36

64

66

53

68,о

67,0

59 ° о

5о,o

32,0

3 0,49>-0,700

26о

290

3о.

3о

3z

z6

34

z8

l5

44

0,700-0,895

0,700-0,895 ю,уоо-о,895 о,7uo-о,895

0,700-0,895

0,700-0,895 о>895-о,99о о,895-0,99о

61,5

56,5

52,0

51,0

58,0

42,Ю

1bO

34о

80 2!О

l6S !

50,0

33,0

50,0

33,о

310

2о

205

Более 0,99

0,99

12!

20 е

2

4 .

6

8

11

12

13

14

16

17

18

10,0

12,0

14,0

15,0

15,0

18,0

20,0

20,0

23,0

25,0

26,0

25,0

28,0

30,0

35,0

36,0

30,0

30,0

36,0

15,0

12,0

10,0

9,0

10,0

12,0

12,0

14,0

15,0

16,0

12,0

18,0

10,0

20,0

21,0

22,0

20,0

9,0

22,0

6,0

7,0

7,5

8,0

8,0

8,5

9еа

9,5

10,0

10,5

11,0

12,0

9,0

8,0

1а,а

10,0

10,0

13,0

69,0

69,0

68,5

68,0

67,0

61,5

59 0

56,5

52,0

51,0

45,0

53,0

42,0

34,0

32,0

37,5

51,0

29,0

28

32

36

26

26

29

34

23

44

245 ,255

240 . 290

260.

230

4,4

5,3

5,7

0,9

5,2

1,!

4,3

2,!

3,8

1,9

1726731

Табл и ца

Известный состав, вес: ь (при 100 кг/см и 50 С) т г г

Опыт, Проницае- Прочность

1 мость,мД на сжатие, кг/см

Al Гидроксид ОП-10 Вода натрия

Силикат натрия

0,52 81,08

0,46 83,34

0,40 85,60

0,34 87,58

0,28 90,12

0,22 92,38

0,16 . 94,64

Табли ца 5

Предлагаемь1й состав, мас. В (при нормальных условиях) Опыт

Прочность на сжатие, МПа Тампоыажный цемент, Проницаемость, 10 з мкм2

Силикат Вода

Кварцевый пе-, натрия пресная!

При твер- При твердении в дении в воде нефти сок

8,0 87,0

9,5 56,5

10,5 48,5

10, О 52,0

12,0 45,0

8, 0 42,0

10,о 34,о

2

4

6

2

4

6

8,0

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

15,0

20,0

25,0

23,0

25,0

30,0

35,0

3,7

j,l

1 9

1 3

0,7

0,1

10,0

14,0

16,0

15,0

16,0

20 0

21,0

6,7

6,1

5,5

4 9

4,3

3,7

3,1

26

26

1 150

1020

240.

8,2

4 8

?,8

2,6

2,3

1,9

1,6

4,5

4,3

5 4

5,7

4,3

4,5

4,1