Композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора

 

Аэрированный тампонажный раствор используется для цементирования скважин портландцементным раствором низкой плотности в нормальных геологических условиях и при наличии зон аномально-низких давлений. Он содержит, мас.ч.: портландцемент 100; оксиэтилированные моноалкилфенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12 неонол АФ 9-12, водно-гликолевую смесь 0,1-1,4; воздух 0,01- 0.02 и воду 45-80. 3 табл.

СОЮЗ СООЕТСКИХ

СОЦИЛЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5, Е 21 В 33/138

ГОСУДЛРСТВЕННЬ!Й КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ . ф с -"з;

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ1 ЕЯИ

Химическая формула ОП-10

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4767061/03 (22) 07.12.89 (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт по креплению скважин и буровым растворам (72) В. Х.-М. Дулаев, Н. М. Бондарец, Н. А.

Полухина, В. И. Петреску. P.,Г. Галиев, П. П.

Капустин и О. С, Матросов (53) 622.245(088,8) (56) Данюшевский В. С. Бакшутов В. С., Никитин В. Н. и др. О возможности применения пеноцементов на основе ПАВ для .цементирования скважин. — Нефтяное хо- . зяйство, 1976, N. 77, с. 48.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1416663, кл. Е 21 В 33/138. 1988.

° Изобретение относится к области крепления скважин и может быть использовано при цементирс" внии скважин портландцементными растворами низкой плотности как в нормальных геологических условиях, так и при наличии зон аномально низких давлений.

Известно применение поверхностноактивных веществ (ПАВ) в качес гве эмульга.торов-пенообразователей аэрированных цементных растворов.

Известно применение.в аэрированных цементных растворах неионогенных ПАВ, .устойчивых к минерализации, в частности. . ОП вЂ”. 10, представляющего собой смесь мокоалкилфенилоаых эфиров полиэтиленгликоля на основе полимердистиллята со степенью оксиэтилирования 10.

„„50ÄÄ 1745893 А1 (54) КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

АЭРИРОВАННОГО ТАМПОНАЖНОГО.PACTBOPA (57) Аэрированный тампонажный раствор используется для цементирования скважин портландцементным раствором низкой плотности в нормальных геологических условиях и при наличии зон аномально-низких давлений. Он содержит, мас.ч.: портландцемент 100; оксиэтилированные моноалкилфенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12 неонол АФ 9 — 12, водно-гликолевую смесь 0,1-1,4; воздух 0,0l —

0,02 и воду 45-80. 3 табл.

ОП-10 растворим в воде, в том числе пластовой; но не растворяется в углеводородах. При этом растворение в воде при нормальных условиях является продолжительным (o течение 2-3 ч), или же для уско рения процесса требуется нагрев воды до

50 С; температура застывания 5-10 С.

Применение ОП-10 в количестве 0,050,5;(, от веса цемента в сочетании с аэра.1

1745893. 25

100

0,2-0,6

0,1-1,4

0,01-0,02

45-60

27-35

27-35 5-8

2-5

5-8

Остальное

Моноэтиленгликоль

Этилцеллозольв

Диэтиленгпиколь

Триэтиленгликоль

Этилкарбитол

Вода цией позволяет получить пеноцемеитный раствор плотностью 800-1300 кг/мз.

Однако в ряде случаев (в условиях

АНПД, наличия слабосцементированных пород, при малых кольцевых зазорах в сква.жине и др.) при цементировании колонн необходимо применять цементные растврры с меньшей плотностью.

Известно применение аэрированного портландцементного раствора с использованием в качестве пенообразователя 0,10,5"-,ь ДПД-1, представляющего собой смесь неионогенных ПАВ натрийалкилфенипэтоксисульфата

R r p(cH> сн2)йp gpqpga

О и динатрийалкилфенилсульфонатэтоксисульфата

Применение ДПД-1 позволяет- получить плотность цементного раствора в пределах 300 — 480 кг/м .

Известный аэрированный раствор имеет следующие недостатки.

Применение его в Западной Сибири показало, что успешность операций цементирования составляет 80 . Неуспешным оказалось цементирование на скважинах, имеющих зоны катастрофических поглощений. Это обусловлено тем, что плотность тампонажного раствора недостаточно низка. Чтобы предотвратить процесс поглощения аэрированного тампонажного раствора и повысить успешность цементировочных работ в особо сложных геологических условиях, необходимо снизить его плотность путем увеличения воздухововлечения.

ПАВ, используемое в известном составе, трудно растворимо в воде, особенно в условиях низких температур. В результате этого технологический процесс приготовления аэрированного тампонажногоо раствора на скважинах существенно усложняется: необходимо допопнительное оборудование для подогрева и перемешивания, значи тельные затраты времени и труда обслуживающего персонала.

Существенным недостатком состава является отсутствие промышленного производства ДПД-1, что делает невозможным широкое его применение. Промышленный выпуск этого ПАВ в ближайшие годы не планируется из-3а дефицита исходных про5 дуктов синтеза, Цель изобретения — расширение диапазона плотностей аэрированного тампонажного раствора, упрощение тсхнологии его приготовления и повышение успешности

10 цементирования скважин.

Поставленная цель достигается тем, что композиция дпя приготовления аэрированного тампонажного раствора. включающая портландцемент, пенообразователь, воздух

15 и воду, в качестве пенообразователя содержит неионогенные ПАВ неонол АФ 9-12— оксиэтилированные моноалкилфенолы тримеров пропилена са степенью оксиэтилирования 12 и технологический отход

20 производства олигомеров (например, олигоэфиракрилатов, олигоэфиров и др.) - водно-гликолевую смесь при следующем соотношении компонентов. мас.ч.:

Портландцемент

Неол АФ 9-12 оксиэтилированные моноалкилфенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтипирования 12

Водно-гпиколевая смесь

Воздух . Вода

35 причем водно-гликолевая смесь содержит моноэтиленгликоль,этилцеллозольв, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль. этилкарбитол и воду при следующем соотношении компонентов, мас. :

Неонол АФ 9-12 — новый отечественный реагент. Средняя молекулярная масса

50 неонола составляет 748 30 ед, Внешний вид — прозрачная маслянистая жидкость от бесцветной до светло-желтого цвета, плотностью 1.045 г/см .

Химичес кая формула R-CeH<0

55 (C2H >0)>2H. где R — разветвленный алкильный радикал (изононил). Растворим в воде и органических растворителях. Неонол АФ 912 является высоко ффективным поверхностно-активным всществом, применяющимся как эмупьгатор, смачиватспь и для других цс1745893

6 лей в ряде отраслей промышленности. Это нелетучий продукт с температурой кипения вьпие 280 С. Г1о степени воздействия на человека относится к 3 классу опасности. Органолептические показатели: для водоемов 5 хозяйственно-битового пользования 0,1 мг/дм, для водоемов рыбохозяйственного назначения 0,25 мг/дм .

Благодаря более высокой степени оксиэтилирования неанол АФ 9-12 имеет более 10 высокую термостабильность и может pa5o" тать, сохраняя полный комплекс свойств (в т.ч. эмульгирующие, пенообразующие, стабилизируюц„ие, при температурах до 130 С. — Этот реагент недефицитен, именно поэтому 15 применение его или композиции на его основе перспективно в нефтяной промышленности.

Результаты исследований (табл. 1, и. 49) показали, что неонол АФ 9-12 — эффек- 20 тивный пенообразователь для тампонажных растворов, однако он не улучшает по сравнению с известным (и. 1 — 3) воздухововлекающую способность тампонажного раствора. 25

Достижение цели обеспечивает неанол

АФ 9 — 12, модифицированный водно-глико.левой смесью (В ГС). Сама В ГС пенос бра зующей способностью в среде цементного раствора не обладает (табл. 1, и. 10-11). 30

Улучшение пенаобразующей способности

-неонола АФ 9- t2 модификацией ВГС обьясняется синергетическим эффектом (табл. 1, и, 17-20), что позволяет получить аэрированный раствор плотностью 240-390 кг/м . 35

Водно-гликолевая смесь является техно.логическим отходом производства олигоме- . ров, негостируемым, неутилизируемым и, согласно технологическому регламенту производства, уничтожаемым в печах сжигания. 40

Обьем отходов — порядка 1000 т/год. Вещества, входящие в состав водно-гликолевай смеси — моноэтиленгликоль. диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, этиленкарбитол, этилцеллозольв — используется при получе- 45 нии продуктов органического синтеза, в частности таких али гам еров, как олигоэфиракрилаты. алигаэфиры и др, Водно-гликолевая смесь образуется в результате очистки оборудования, емкостей, цистерн, 50 трубопроводов, использовавшихся для указанных веществ.

Водно-гликолевая смесь мажет иметь различный состав, Эффективность рекомендуемого соотношения компонентов ВГСдо- 55 казывается результатами исследований; проведенных в ВГС различного состава (см. табл. 2).

Рецептура, приведенная в и. 15 табл. 1, включает ВГС состава 1, в и. 16- ВГС состава 3. При сра."нении плотностей растворов по и. 15-17 видно, что предлагаемый состав

ВГС наиболее эффективен (и. 17).

По своему химическому строению указанные вещества в основном являются спиртами (монозтиленгликаль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, этилкарбитол), а этилцеллозольв — простым эфиром (моноэтиловый эфир этиленгликоля). Оба класса соединений (спирты и эфиры) обладают поверхностно-активными свойствами и относятся к неионогенным ПАВ.

Водно-гликолевая смесь хорошо смешивается с водой и с неонолом АФ 9-12.

Краткая характеристика веществ. входящих в состав водно-гликолевой смеси.

Моноэтиленгликоль — НОСН„СН>ОН— бесцветная низковязкая жидкость плотностью 1,113 г/см, !кио=197,б С, 1ол= 12,3 С, смешивается с водой, спиртами и др.

Зтилцеллозольв — CgHgOC2H4OH — бесцветная низковязкая жидкость плотностью

0,931 гlсм, т до=135,б С, ton=-70 С, растворим в воде и органических растворителях.

Диэтил енгл икал ь — (Н ОСНОВ СН2)20 бесцветная низковязкая жидкость плотностью 1,1 г/см, тким=244.8 С, Ьл=-8 С, хорошо растворим в воде и органических растворителях. . Триэтиленгликоль — HO-CHz — CH2-О—

СХгСН2-О-СН2СН2-ОН - бесцветная нелео тучая жидкость. тсамоеоспламенения 371 С.

Этил ка рбитол — CzHg-OÑH2-СН2-OCHz-OH — жидкость слабо-желтого цвета, температурные пределы воспламенения—

97-112 С, безгранично смешивается с водой, растворим в органических растворителях.

Все названные вещества согласно

ГОСТ 12.1.007-7б относятся к 3 классу опасности.

Обладая антифризными свойствами, водно-гликолевая смесь предотвращает застывание неонола при низких температурах. В табл, 3 и ри водится температура замерзания растворов неонола АФ 9 — 12 в с водно-гликолевой смеси.

Применение и редлагаемого сочетания реагентов делает практически мгновенным процесс растворейия неонола в воде как при положительных, так и при отрицательных температурах, в результате чего существенно упрощается, технология приготовления аэрированных тампонажных суспензий, особенно в условиях низких температур.

По сравнению с известным значительно сокращаются затраты времени на и риготовление раствора, исключается необходи7

1745893 мость подогрева и применения дополнительного оборудования и средств.

Как видно из данных табл, 1. аэрированный портландцементный раствор,. приго- . товленный с применением в качестве 5 пенообразователя неонола АФ 9-12, модифицированного водно-гликолевой .смесью, характеризуется более эффективным пенообраэованием, при этом диапазон плотностей получаемого раствора расширяется по 10 сравнению с известным (см. табл. 1, и. 1-2, 17-20). Тампонажный камень не уступает в прочностных свойствах получаемому по известным рецептурам. . Аэрированный тампонажный раствор 15 . имеет 100 Д-ную .устойчивость, характери- . зующую его высокую стабильность во времени. Устойчивость определяли в соответствии с РД 2-.1232-84.

Прочностйые характеристики bio и. 4-16 и 22 табл. 1 не приведены в связи с тем, что соответствующие им составы показаны для доказательства эффективности предлагаемой композиции по сравнению с известным 25 раствором и каждым из компонентов (неонол; ВГС) в отдельности, а также эффективности выбранных соотношений, а именно один неонол АФ 9 — 12 не обеспечивает существенного снижения плотности по срав- 30 нению с известным раствором (см. табл. 1 и. 1-3 и 4-9), а при вводе в цементный раствор только ВГС пенообразование вообще не наблюдается (и. 10-11); состав по п. 12 имеет высокую плотность по сравнению с 35 известным (1600 кг/мз) вследствие недостаточной аэрации (содержание воздуха 0,005 мас.ч. на 100 мгс.ч. цемента); состав по и. 13 .показывает. нецелесообразность увеличения содержания воздуха до 0,025 мас.ч. на 40

100 мас.ч. цемента: состав по и. 14 является запредельным по ВГС: состав по и. 14 является запредельным по ВГС: вследствие недостаточного содержания ВГС не обеспечивается снижение плотности по 45 сравнению с известным: состав по и. 22

--имеет высокую плотность(1100 кг/м ) в связи с недостаточным количеством жидкости

- эатворения и также не соответствует поставленной цели. 50

В табл. 1 приводится количество воздуха, которое подается в цементный раствор и может быть вовлечено в структуру получаемой аэрированной системы. Такие факторы, как заданная скорость подачи воздуха, 55 скорость вращения мешалки, габариты установки и т.п., при проведении экспериментов выдерживались строго постоянными.

Однако известно, что фактическое содержание воздуха в системе зависит не только от

Количество подаваемого воздуха определяют с учетом способности вспенивать цементный раствор и.снижать его плотность.

Аэрирование портландцеметного раствора производят с помощью компрессорной установки при контролируемой расходе воздуха. .Контроль плотности получаемого раствора осуществляется пикнометрическим способом.

Измерение прочности. цементного камHA производится tlo стандартным методикам.

Пример 1. Готовят. тампонажный раствор в соответствии с и. 17 табл. 1 ° содержащий. мас.ч. (г):

100 (300)

0.2 (0.6) Портландцемент

Неонол АФ 9-12 количества вводимого воздуха, но и от количества используемых структурообраэователей — поверхностно-активных компонентов, . в частности неонола АФ 9-12 и ВГС. Это подтверждается табличными данными по плотности. Так, в п, 14 и 17 при одинаковом количестве вводимого в систему воздуха (0,02 мас.ч.). но разных количествах вводимого.ПАВ (О;25 мас.ч. в и. 14 и 0.4 мас. ч. в и.

17) плотности растворов отличаются.

Подбор рецептур осуществляют следующим образом.

Количество неонола АФ 9-12 определя-ют по эффективности воздухововлечения портландцементным раствором и снижению его плотности.

Соотношение компонентов в водно-гликолевой смеси определено спецификой технологических операций по очистке и промывке оборудования и др.

Соотношение нео . ïà АФ 9-12 и водногликолевой смеси находят эмпирически так, чтобы достигнуть повышения эффективности пенообраэования в среде аэрированного портландце.,ентного раствора и обеспечить расширение диапазона плотностей по сравнению с известным беэ ухудшения прочностных характеристик образующегося камня.

Необходимое водоцементное отношение находили с учетом способности цементного раствора к эффективному вспениванию в присутствии применяемых реагентов. а также седиментационной устойчивости получаемой аэрированной пеноцементной системы и прочностных характеристик сформированного в стандартных и термобарических условиях тампонажного камня.

1745893

0,2 (0,6)

60 (180) ВГС

Вода

- Портландцемент

Неонол АФ 9-12

ВГС .

Вода

100 (300) 25

0,3 (0,9)

0,2 (0.6)

45 (135) Портландцемент

Неонол АФ 9-12

ВГС

Вода

1О0 (ЗОО) ,0.6 (1,8)

1,4 (4,2) 45

50 (150) 100

0,2-0.6

0,1-1,4

0,01-0,02

45-60

Для зтoro сглешивают V,G r неонола и .0,6 г ВГС, получают смась 1. Б воду зэтгора- 5 ния в количестве 180 г оносяг навеску цемента 300 r и перемешивают в сферической чаше в течение 3 мин. В полученный цементный раствор вводят смесь 1 и после пере.мешивания в течение 3 мин цементный 10 раствор азрируют на лабораторной установке в соответствии с методикой РД 2 — 123284 при подаче воздуха, соответствующей

0,02 мас.ч. Плотность получаемого вспенен-. ного портландцементного раствора 390 15 кг/м . Устойчивость раствора 100 %. Сфорз мированный из этого раствора тампонажный камень через 43 ч имеет следующие характеристики: при t=22 Ñ и Р=О,1 МПа очаг=1,0 МПа. гтсж=1,2 МПа; при t=75 С и 20 . Р=ЗО МПа визг=4.5 МПэ. oem=6,3 МПа.

П р.и м е р 2. Готовят раствор в соответствии с и. 18 табл. 1, содержащий, мас.ч. (г):

Аэрированный тампонажный раствор 30 готовят в последовательности, указанной в вримере 1, при подаче воздуха, соответст- . вующей 0,01 мас.ч. Плотность полученного раствора 280 кг/м . Устойчивость 100%. з

Тампонажный камень, сформированный из 35 этого раствора, имеет через 48 ч следующие. харатеристики: при t=22 С и Р=О, 1. МПа (ьдг=1,6

МПа, oc=2,2 МПа: при т=75 С и Р=ЗО МПа йю г=7.2 МПа, сгсж=8,2 МПа.

П р имер 3. Готовят раствор всоответ- 40 ствии с и. 20 табл. 1, содержащий, мас. ч. (r):

Аэрированный тампонажный раствор готовят в последовательности, указанной в примере 1, при подаче воздуха, соотеетст- 50 вующей 0,02 мас.ч. Плотность полученного раствора 240 кг/м, Устой:ивость 100%, з

Тампонажный камень, сформированный из этого раствора через 48 ч имеет следующие характеристики: при t=22 С и Р=О,1 МПа 55 (Ъдг=0.8 МПа, ссж=1,2 МПа; при t=75 С и

Р 30 МПа (Ъзг=3,8 МПа, 0сж -4,8 МПа.

Преимущества предлагаемой композиции для приготовления аэрированного там-. понажного раствора заключаются и следующем.

Применение предлагаемых реагентов позволяет при эффективном пенообразовании в среда азрированного портландцементного раствора существенно расширить диапазон плотностей и упростить технологию аго приготовлания. 1(Одновременно удастся решить проблему утилизации технологического отхода производства олигомеров, имеющегося на том же предприятии, которое выпускает неонол АФ 9-12, исключить его сжигание и связанные с этим затраты и способствовать оздоровление окружающей среды..

Цементирование скважин с использованием предлагаемой композиции для приготовления аэрированного тампонажного раствора позволяет избежать разрыва пластов в зонах аномально низких давлений, исключить возникновение эон поглощения, избежать связанных с этим больших материальных и трудовых затрат на их ликвидацию. позволяет повысить качество цементировочных работ и обеспечить подьем цементного раствора до устья скважины в сложных геологических условиях.

Формула изобретения

Композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора, включающая портландцемент, пенообразователь, воздух и воду, отличающаяся тем, что. с целью расширения диапазона плотностей, упрощения технологии приготовления раствора и повышения успешности цементирования скважин, она содержит в качестве. пенообразователя неионогенные ПАВ неонол АФ 9-12 — оксиэтилированные моноалкилфенол ы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12; еодно-гликолевую смесь и технологический отход производства олигомеров при следующем соотношении компонентов, мас.:

Портландцемент

Неонол АФ 9-12-оксиэтилированные моноэлкилфенолы тримеров пропи-лена со степенью оксиэтилирования 12

Водно-гликолевая смесь

Воздух

Вода причем водно-гликолавая смесь содержит моноэтиленгликоль, этилцеллозольв, дизти1745893 ленгликоль, триэтиленгликоль, этилкарбитол и воду при следующем соотношении компонентов, мас.:

Этилцсллозольв

Диэтиленгликоль

Триэтиленгликоль

Зтилкарбитол

Вода

27-35

5-8

2-5

5-8

Остальное

27-35 5

Моноэтиленгликоль

Тебнн9е ортммост ° еармроеемного цемемтмосо мен»е нерее 46 м этол этрттност а ° Ус тойчнI I цемснтмосA аоста ° 2|

Мт тмр. т

Состав, т ас.v нн

1!ортремрцемент

1!43

Вмрмоста затеооенмн 1еомт /нт

t 2Z с; Гмо,!,Мпа t м 75 С1 P м 30 Этпе

I 1.

Намненоаанне Кормчест

Возруа

С эr е) 0;

50 ьо

1,0 1,6

0,6 1,0 о. 3

S,0

4,5

1,0

460 tao

300 120

360 60

1200 100

gso loa

640 !00

620 100

472 lao

49т . 100

Ne неннт

Ne неннт

1600 100

3,5

4т7

l.S

0,01

0,02

0,02

О,О2

0,0!

0,02

0,01

0,02

0,02

0,02

0,02

0,005

1 100

2 100

3е 100

II 100

5 100

6 100

7 100

8 100

9 100

1О 100 !

1 1 оо

l2 100

13 100

100

0,025 390 о,ог еоо

0,42 600

14 too

IS 100

t00

)00

О,ог ьуо . ГВО

16 100 60

17 !00 60

6,3

6.5

100

0,02 390

l,O 1,2 16 100

19 100 в,г

1,6

0,01 - 290 1O0

7.г

2,2

1З г! 57

6,5

0,01 260

0.02 240

0,02 200

100

3.8

4,6 о,е

1,2

20 100

Ьо

К@мень орочностар ме обнереет

21 100

100

Ь.оэ ltoa.i2

22 100

23 100.Камсма Нррммеетае НЕ ООНарррт

0,02 210

62 н

Ооцносрнморе ран снесет

Таблица 2 е) Предлагаемый состав BCC.

Таблица 3

Содержание неонола в

% ——

40

50

О азаме а" С

-35

-50

-40

-28

-25

Составитель Л.Бестужева

Редактор С.Патрушева Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Л,Лукач I

Заказ 2371 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 б

ДРД-!

pflp-E

ДГД-1

АФ 9-12

АФ 9-!2

АФ 9-12.

49 9-12

АФ 9"12

ЬФ 9-!2

ВГСм

ЬГС

4Ф 9 !2

ЬГС

АФ 9 12

ВГС

АФ "12

ЬГС

АФ. 9-12

ВГС

40 9-12

ВГС

АФ 9-12

ЬГС

АФ 9-12 .

ВГС

АФ 9-120ГС

4Ф 9-12

ВГС

АФ 9-!2

ЬГС

АФ 9-12

ЬГС

АФ 9-1.2

ВГС

0,1 о,5

0,4

O,l а,2

Ь,З

0,5

0,6

0,7

0,5 .

O,S

0,3 о,г

o,ã

О ° 3

0,2

0,05

0,2

0,1

0,2

0,2 .

0,2

D,20.3

0,2

0,5

О. 75

0.6

1,Ь

0,7

0,85

o,ü

0,32

0,6 о.зг