Полимерцементная тампонажная композиция

Изобретение относится к области нефтедобычи, а конкретно к тампонажным материалам, применяемым для крепления нефтяных и газовых скважин с температурным диапазоном эксплуатации от 0 до 100°С. Технический результат - создание безусадочной тампонажной композиции с низкой водоотдачей, высокими прочностными характеристиками и повышенной адгезией к породе и к обсадной трубе. Полимерная тампонажная композиция содержит, мас.ч.: цемент 100, латекс СКС-65 ГПБ 7,5-12,5, Конкрепол 1,0-1,6, вода 50. 1 табл.

 

Изобретение относится к области нефтедобычи, а конкретно к тампонажным материалам, применяемым для крепления нефтяных и газовых скважин с температурным диапазоном эксплуатации от 0 до 100°С.

Известны многочисленные водоизоляционные материалы, среди которых наибольшее предпочтение отдается смесям на основе органических и минеральных вяжущих веществ (Ахметов А.А. Капитальный ремонт скважин на Уренгойском месторождении. Уфа. УГНТУ, 2000, с.219., Ахметов А.А., Клюсов И.А., Кривобородов Ю.Р. О долговечности цементного камня в сеноманских скважинах // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2000. №1, с.31-32).

Ближайшим техническим решением, выбранными авторами за прототип, является полимерцементная тампонажная композиция, применяемая фирмой Halliburton и представляющая собой тампонажный раствор из портландцемента, воды и полимерного связующего - латекса LA-2 (Обзор зарубежной литературы. «Цементы и тампонажные смеси, применяемые за рубежом». М.: ВНИИОЭНГ, 1977, с.13-14). Тампонажная композиция имеет ряд преимуществ, к числу которых относится низкая водоотдача, высокая начальная прочность цементного камня, хорошая пластичность, а также хорошая сопротивляемость к действию кислот и агрессивных пластовых флюидов.

Однако известная тампонажная композиция имеет недостаточную адгезию к поверхности обсадной колонны и к стенкам скважин и недостаточную прочность на изгиб отвержденного цементного камня.

Целью изобретения является создание безусадочной тампонажной композиции, лишенной указанных недостатков. Поставленная цель достигается тем, что известная тампонажная композиция, содержащая портландцемент, синтетическое связующее и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит водно-полимерную систему поли-N-виниламида - «Конкрепол», а в качестве синтетического связующего дивинил-стирольный латекс СКС 65 ГПБ при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

Цемент	100
Латекс СКС-65 ГПБ	7,5-12,5
Конкрепол	1,0-1,6
Вода	50

Указанное соотношение компонентов тампонажного раствора позволяет снизить водоотдачу, повысить сцепление с металлом труб и породой коллектора, снизить водогазонефтепроницаемость и увеличить прочность цементного камня. Применение предлагаемых хорошо растворимых в воде реагентов комплексного действия не осложняет процесс приготовления тампонажных растворов в лаборатории и при проведении работ на буровых. Сочетание в составе раствора дивинил-стирольного латекса и высокомолекулярного N-поливиниламида, устойчивых к полиминеральной агрессии и обладающих адгезионными свойствами, придает цементным растворам необходимые для заявляемого состава характеристики.

С целью улучшения смачиваемости и усиления пластифицирующих свойств в композицию в ряде случаев добавляют до 1 мас.% глицерина. Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

1. Тампонажный портландцемент ПЦТ ДО-100 Сухоложского цементного завода.

2. Упрочняющая и адгезионная добавка Конкрепол производства ООО «Оргполимерсинтез СПб».

Применение отечественных ингредиентов комплексного действия на свойства цементных растворов упрощает создание тампонажных композиций, не уступающих по своим изоляционным характеристикам зарубежным аналогам.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1.

В 50,0 мл воды вводят 10,0 г латекса и 1,0 г конкрепола. В полученном гомогенном растворе затворяют 100 г вяжущего вещества - цемента. После тщательного перемешивания состав выдерживают в термостате при 60°С в течение 30 мин, после чего определяют его реологические и прочностные характеристики. Выбранный режим предварительного прогрева цементного раствора приближен к условиям коагуляционного структурообразования при закачке его в скважину с температурой 80°С на глубину до 1800 м.

Реологические характеристики полученного полимерцементного раствора:

плотность, г/см3	1,78
растекаемость по АзНИИ, мм	220
водоотделение при 60°С, %	3,0
водоотдача при 60°С и при давлении 0,1 МПа	3,4
время начала схватывания, при 60°С час	3,5
время окончания схватывания 60°С, час	18

Физико-механические показатели цементного камня из полимерцементного раствора:

прочность на сжатие, σсжат., МПа:
через 2 суток	19,91
через 7 суток	22,07
прочность на изгиб, σизг., МПа:
через 2 суток	4,8
через 7 суток	6,6
адгезия цементного камня к металлу, МПа	3,71
линейное расширение, %	+0,20

Как видно из приведенных данных, разработанный полимерцементный тампонажный раствор по своим реологическим характеристикам отвечает требованиям ГОСТа 1581-96. Особо следует отметить его пониженную водоотдачу, не превышающую 5 см³/30 мин, что позволяет не увеличивать водоцементное отношение больше 0,5 при применении полимерных ингредиентов.

Вместе с тем, отвержденный цементный камень обладает повышенной прочностью на сжатие и изгиб (σ_изг. цементного камня, полученного по прототипу, составляет 4,9 МПа), повышенным сцеплением с обсадной колонной и отсутствием усадки.

Указанное соотношение компонентов тампонажного раствора является оптимальным, о чем свидетельствуют данные, приведенные в таблице (примеры 2-8). Полученные результаты сравнивались со стандартным раствором (пример 9).

Таблица
Свойства полимерцементных тампонажных растворов
№ примера	Состав, % на 100 вес.ч. цемента	Характеристики цементного раствора
Водоотделение, %	Водоотдача, см3/30 мин	Растекаемость по АзНИИ, мм	Время начала схватывания при 60°С, час
2	латекс LA-2 -8; (прототип)	5,0	28	>200	4,0
3	латекс СКС-65 ГПБ - 7,5 конкрепол - 1;	4,5	21	-	2,5 (кон 5,5)
4	латекс СКС-65 ГПБ - 10 конкрепол - 1,6;	2,9	1,4	190	3,5
5	латекс СКС-65 ГПБ - 10;	10	28	180	4,0
6	конкрепол - 1;	11	133	-	3,5
7	латекс СКС-65 ГПБ - 15 конкрепол - 1;	3,0	4,5	175	4,5
8	латекс СКС-65 ГПБ - 10 конкрепол - 1,0; глицерин -1,0	2,5	2,0	230	5,5
9	стандартный раствор В/Ц=0,50	3 (по ГОСТне >7,5)	105	165	1,5

Приведенные в таблице данные показывают, что только при одновременном введении в цементный раствор латекса и конкрепола обеспечиваются высокие реологические свойства тампонажной смеси. В отсутствие одного из полимерных составляющих (примеры 5, 6) существенно снижается водоотдача и увеличивается водоотделение. Оптимальное содержание латекса в тампонажной композиции составляет 10-15% на 100 вес.ч. цемента (сравн. примеры 1 с 3 и 7).

Увеличение содержания конкрепола свыше 1,6% (пример 4) не приводит к улучшению реологических свойств тампонажного раствора. Введение в тампонажную систему глицерина несколько повышает структурные свойства раствора (пример 8).

По своим реологическим характеристикам полимерцементная тампонажная композиция (пример 1) превосходит как контрольный образец (пример 9), так и композицию, полученную по прототипу (пример 2).

Ниже приведены физико-механические характеристики отвержденного тампонажного камня, полученного по прототипу:

прочность на сжатие, σсжат., МПа:
через 2 суток	20,35
через 7 суток	22,61
прочность на изгиб, σизг., МПа:
через 2 суток	3,8
через 7 суток	5,6
- адгезия цементного камня к металлу, МПа	1,71
- линейное расширение, %	- 0,05

При сопоставлении физико-механических свойств тампонажного камня, полученного по предлагаемой рецептуре и по прототипу, нетрудно видеть, что по прочности на изгиб, по сцеплению с обсадной трубой и по линейному расширению разработанная тампонажная композиция превосходит известную композицию.

Необходимо также отметить, что для разработанной композиции характерна высокая начальная прочность цементного камня, обладающего повышенной пластичностью и сопротивляемостью к действию кислот и агрессивных пластовых флюидов (в частности, к действию сульфатосодержащих пластовых вод).

Проведенные на установке BPS-805 фильтрационные испытания искусственных кернов, изготовленных по рецептуре примеров 1, 2 и 9, показали значения абсолютной проницаемости по газу 0; 0,01 и 0,15 мДа соответственно.

Из приведенных данных видно, что применение предлагаемого тампонажного материала является весьма перспективным.

Тампонажная композиция, содержащая портландцемент, синтетическое связующее и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит водно-полимерную систему поли-N-виниламида - Конкрепол, а в качестве синтетического связующего дивинилстирольный латекс СКС 65 ГПБ при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

Цемент	100
Латекс СКС-65 ГПБ	7,5-12,5
Конкрепол	1,0-1,6
Вода	50