Способ цементирования скважин

(9) 1 в ЗЗДЗ 8 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИЬАЙО х.,". и1, о т л и ч а ючто в качестве орга- Яьзуют диэтиленглиГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт коллоидной химии ихимии воды им. А,В,Думанского(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. НеФтепромысловое дело. МВНИИОЭНГ, 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 щ и й с я тем, что, с целью повышения проникающей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов, 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, 2, Способ по п.1, о т л и ч а ю- ЕЮ 2 щ и й с я тем, что используют аэросильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелочи 8:1 - 12:1,3. Способ пощ и й с я тем, ноаэросила исполкольаэросил, 1099053значительна, упрочнение цементногокамня замедлено, Вследствие перечисленных причин при использовании известного способа цементирования также не всегда достигается положительный результат, особенно при невысоких температурах ствола скважин инизком содержании электролитов впластовой воде, что характерно, вчастности, для большинстна месторождений Западной Сибири.Цель изобретения - повышение проникающей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажныхматериалов,Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу цементирования скважин, включающему преднарительное закачивание в скважинуфильтрующегося реагента с последующим докреплением цементным раствором.предварительно закачивают фильтрующийся водный аэросильно-щелочнойзоль с концентрацией органоаэросила 0,05-1.2. а затем закачиваюткольматирующий водный аэросильно-щелочной гель с концентрацией органоаэросила 5-12.Кроме того, используют аэросильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелочи 8:112:1,В качестве органоаэросила используют диэтиленгликольаэросил,Применяемые реагенты - аэросильно-щелочной золь (АЩЗ и аэросильнощелочной гель (АЩГ 1 содержат однии те же ингредиенты (органоаэросили щелочной компонент и представляют собой водные стабильные дисперсии коллоидного кремнезема, но находятся они в различном Физическомсостоянии,.обусловленном концентрационным диапазоном твердой фазы.АЩЗ - опалесцирующая жидкость, вобъеме которой равномерно распределены свободновзвешенные индивидуальные частицы органоаэросила, Это позволяет реагенту свободно фильтроваться в микропоры породы, а вследствие действия стерических и адсорбционных факторов, удерживаться вних.АЩГ - структурированная студнеобразная. дисперсия, в ее объемемикроагрегаты частиц органоаэросила Фиксированы в пространственнойлегкоподвижной тиксотропной коагуляционной сетке. Это позноляет реагенту при движении заполнять трещины, крупные поры и кольматироватьих, структурируясь в локое и подвоздействием электролитов.Способ осуществляется следующимобразом.Перноначально закачивается расчетное количестно приготовленного вмернике цементировочного агрегата 10 Изобретение относится к бурениюскважин, а именно к способам первичного цементирования неустойчивыхстволов скважин и проведению ремонтно-изоляционных водопритоков черезнарушенный цементный камень и тонкопористые пласты стенок скважин,Известны различные варианты способа цементирования скважин, предусматривающего повышение устойчивости стенок пробуренных скважин иустранение перетока флюидов, сущностькоторого заключается в последовательной закачке кольматирующего и крепящего составов, например 3-30-ныхрастворов водорастноримых силикатов, 15золой кремнезема, образующихся в результате взаимодействия кремниевыхкислот пластовых вод и БС 1 1, атакже синтетических смол или,концентрированных растворов полимеров1 с последующим докреплением цементными суспензиями, Применение этогоспособа обусловлено хорошей структу 1рирующей и адгезионной способностьютампонажных материалов. 25Однако этот способ цементирования не всегда позволяет достичь нужного эФФекта вследствие низкой проникающей способности применяемых реагентов, которые не Фильтруются впласт,30Кроме того, золи водорастворимыхсиликатов и кремниевой кислотымгновенно коагулируют при изменениирН среды, а при контакте с пластовой,нодой мгновенно превращаются в осаж,дающийся плотный гель,оПоэтому тонкодисперсные - 15-20 Ачастицы и молекулы раствора подходятк пласту н виде хлопьевидных агрегатов, кольматируют его на неэначительную глубину, забивают вход в поры, и дальнейшего проникновения реагента не происходит,Если в качестве кольматирующегосостава применяются синтетическиесмолы - Фенолформальдегидные, акриловые, зпоксидные и др., то структурированный слой также обРазуется взоне контакта закачиваемого реагента с цементом, что обусловлено высокой вязкостью смол и наличием вних крупных надмолекулярных образований, скапливающихся у поверхности.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ цементирования скважин, включающий предварительное закачивание и скважину фильтрующегореагента с последующим докреплениемцементным раствором ГЗ.При изнестном способе цементирования мицеллы полимера проникают нпоры пласта более глубоко, однакополимерный коагулят в порах имеетневысокую структурирующую способность, а адгезия на границе с цементным раствором н контактной зоне неили 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 тампонажный10 раствор,Аэросильно-,щелочные реагенты готовятся на основе гидрофильных (смачиваемых водой) органоаэросилов диэтиленгликольаэросила (АДЭГ), ами ноэтоксиаэросила (АЭА), карбоксиаэросила (КОА),бутоксиаэросила (Б) и др и щелочного компонента йаОНКОН, Ма СОПри осуществлении предлагаемого 20 способа цементирования допустимо в зоне смешения соотношения А 3 и АЩГ в любом концентрационном диапазоне.В табл. 1 приведены,реологические характеристики ( Пг) и пластическая 25 прочность Р А)3 и АЩГ в зависимости от концентрации АПэГ, вила щелочного компонента при соотношении органоаэросил-щелочь - 101.Концентрационный диапазон органоаэросила в А 13 и АЩГ выбирался исходя из реологических свойств реагентов (табл. 1 ) и их способность к Фильтрации (АЩЗ - 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 мером частиц и временем их скрытой коагуляции в пластовой воде (табл.21.Концентрационный диапазон твердой Фазы в АЩЗ обусловлен: нижняя граница 0,05 - эФФективностью за иливающего действия в керне (стеклянный Фильтр Щотта с размером пор 7 мкм ) с самыми тонкими порами, верхняя гоаница - 1,2. предопределена агоегированием частиц органоаэросила в золях с более высокой.концентрацией, что видно из электронно-микроскопических исследований диспеосности, В золях 0.05-ной концентрации обнаружены только одийочные час,тицы 40-100 А в золях 0.5-1,2 концентрации имеются частицы и агрегаты с размерами (100-400 А 1 говышение концентрации свыше 1,2 приводит к появлению агрегатов 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 обусловить постепенное заклинивание тонких пор,верхний концентрационный диапазонявляется пределом существования неструктурированной устойчивой системы, о чем свидетельствует появлениепредела текучести ( ) и пластичес,кой прочности (Р ), а также резкоевозрастание вязкости (,)что приводит к снижению проникающей способности золя (уменьшению количествапрошедшей сквозь поры твердой Фазыпри увеличенном времени фильтрации ),так как появление крупных агрегатовв эоле снижает его седиментационнуюустойчивость и ведет к отложениютвердой фазы на поверхности.Концентрационный диапазон твердойФазы в АЩГ выбран в соответствии среологическими и прочностными характеристиками геля - концентрационномудиапазону 5-12 соответствует оптимум по комплексу; минимальное значение вязкости, напряжения сдвига впотоке 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 текучестии вязкостью пространственной структуры, что не обеспечивает ее стабильности и способности к эффективномуструктурообразованию в крупных порах. При концентрациях выше 12 наблюдается сильное нарастание вязкосТи системы ( ф) что предопределяетухудшение степени заполнения тонкихтрещин реагентом, при этом отсутствует значительное дополнительноеупрочнение Р структуры под влиянием пластовой воды, в связи счем дальнейшее повышсние концентрации АЩГ неэффективно, так как проникающая способность реагентов ипрежде всего АЩЗ особенно в присутствии пластовой вОды является наиболее важным звеном в достижении эФфекта от предлагаемого способа, Этиорганоаэросилы в щелочных растворахобразуют золи с различной степеньюустойчивости 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 осад. ка ), составляет 12:1,.максимальное соотношение - 8:1 обусловлено тем,что при дальнейшем повышении конОцентрации щелочи начинается постепенное растворение частиц аэросила вплоть до получения истинных растворов вместо золей (табл.2).Однако истинные растворы при смешении с пластовой водой мгновеннодают осадок, в связи с чем исключается возможность их закачки в порыпласта, тонкодисперсные органоаэросильнощелочные золи при взаимодействии с пластовой водой коагулируют лишь через 20-30 мин (табл,21что позволяет им проникнуть на заданную глубину.Наиболее устойчивые к агрегации 10частиц органоаэросильные золи получаются на основе диэтиленгликольаэросила, эти эоли представляют собой опалесцирующие, не расслаивающиеся в процессе длительного хранения, перемешивания, температурного воздействия (10-70 С ) системы сминимальным размером частиц (табл.2).Закачивание фильтрующего разбавленного водного органоаэросильнощелочного реагента, в котором твердая фаза - органокремнеэем, имеетминимально возможный для условийсовременной технологии получения устойчивых коллоидных золей размер 25иыдивидуаольных шарообразных частиц100-200 А (табл.3), позволяет обеспечитьпроникновение золя в поры идефекты с диаметром 0,1-7 мкм налюбую необходимую глубину по пластуи путем заиливания закупорить самые тонкие из них. Заполнение объема тонких пор происходит необратимо, ибо частицы - агрегаты кремнеэе:1 ов не подвержены усадке. перекристаллизации или раствопенив д обычных условиях пласта и удерживаютсяв каналах за счет межмолекулярныхсил, водородных связей и стерических факторов, со временем происходитхимическая конденсация межчастичных 40концевых силанольных групп. Как видно иэ табл.3 применение предлагаемого способа цементирования по сравнению с известным (Фильтрация гипана)позволяет увеличить проникающую 45способность в поры с размером 0,13 мкм в 4 раза, с размером 3-7 мкмв два раза и заполнить поры и трещины диаметром менее 0,1 мкм, в которыеранее вообще не наблюдалось проникно вение реагентов, так как все они натаких тонкопористых Фильтрах (породе, цементном камне) полностью отлагаются на поверхности,Последующее закачивание концентрированного водного органоазросильнощелочного реагента АЩГ, обладающего отличными реологическими свойствами рыхлой пространственной коагуляционной структуры геля (табл,1) исостоящего иэ агрегатов частиц органоаэросила с размером 0,1-1 мкм,способных дополнительно медленно коагулировать при воздействии электролитов пластовой воды, обеспечиваеткольматацию пор и выемок в породе и 65 старом цементном камне с размеромвходных отверстий до 10 мкм,Сплошной приповерхностный структурированный Слой из гийана, покрывающий керн, содержит много дефектов, воздушные включения, АЩГ, закачиваемый после заполнившего мелкие поры АЩЗ, плотно кольматируеткаждую крупную выемку керна.Поэтому фильтрация пластовой воды (табл,4) через закольматированныеАЩЗ и АЩГ песчаные керны значительно затруднена уже в первые минутыпосле проведения изоляционных работ,а благодаря повышенной структурирующей способности реагентов она ксеми суткам на порядок ниже, чем вслучае применения полимерного материала. Данные, приведенные в табл.2(пластическая прочность в пресной исоленой воде ) и табл.4 (соотношениепрофильтрованной воды после кольматации и через 7 сут. выдержки), позволяют сделать вывод о том, чтоструктурирующая сиособность реагентов по предлагаемому способу цементирования в 2-4 раза выше по сравнению с известным способом,Докрепление цементным растворомпозволяет завершить процесс изоляции и создать на контакте АЩГ - цементный камень быстротвердеющую свысокой адгеэионной прочностью контактную зону (табл, 5 и б).Под влиянием кальцийсодержащегофильтрата тампонажного цементногораствора резко увеличивается прочность АЩГ в приповерхностном структурированном слое, а в свою очередьвоздействие геля на цементный раствор при взаимопроникновении составов ускоряет схватывание и твердение крепящего деметного растворав отличие от замедляющего действиягипана,Как свидетельствуют данные табл.)адгезионная способность тампонажныхматериалов при использовании предлагаемого способа цементирования посравнению с известным возрастаетв ранние сроки отвердевания (нарастание пластической прочности ) в2,5 - 4 раза в поздние сроки (микротвердость через 7 сут, ) в 1,21,3 раза.Происходящее вблизи приповерхностной контактной зоны смешение остатков ранее закаченного АЩГ с крепящимцементным раствором позволяет ускорить схватывание тампонажного материала и улучшить прочностные показатели цементного камня, полученногоиз раствора эоны смешения АЦГ с цементом, как это показывают результаты испытанийприведенные в табл.б.Эти свойства контактной эоны и камня предупреждают размывание тампонажного материала,1099053 Т а б л и ц а 1 1,0 0,01 0,03 0,05 0,10 0,50 МаОН МаОН 1,0 МаОН 0 МаОН 1,3 МаОН йаОН 1,5 1,00 1,5 МаОН 0,2 3,0 МаОН 0,2 4,0 НаОН 12,0 0,6 йаОН 29,0 МаОН 2,9 132 74 62,0 1,5 40,0 МаОН 2.4 51,0 71,0 йаОН 4,4 М аОН 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 10 36,0 Ыа СО 0,5 КОН 7,0 10 35,0 5 Гипанизвестный 176 7,6 Таблица 2 АДЭГ 0,1 0,001 Расслаивающаяся суспензия 0,1 0,0020,0050,008То жеЗоль 0,1 100 15 0,1 10-50 20 Предлагаемый способ цементирования позволяет по сравнению с известным способом повысить успешность изо 1,20 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 941099053 12 Продолжение табл, 3 ГКонцентрацияАДЭГ, Ъ Жидкость Твердая фаза 20 1 ОО О,1 0,05 65 1 ОО 0,1+3 3+5 75 100 1 оо 20 80 0,1 0,5 0,1+3 60 20 80 15 50 100 3+5 90 10 100 60 50 0,1 1,2 60 30 68 О,1+3 30 35 3+5 30 62 80 60 0,1 1,5 1 О 60 0,1+3 60 12 30 3+5 60 51 60 60 1,0 извест,1 60 10 11,5 0,1+3 30 60 38 3+5 60 40 40 42 75 5 Гипанный 1 Размер микропор Фильтра,мкм О, 05 ЩЗ+3 АЩГ О, 05 И 1 Э 1-5 А 1 ЧГ Количество фильтрата,таблица 4 Ьремя фильтрации,мин099053 13 Продолжение табл. 4 Количество филь- трата, Ъ Концентрация реагентов, % После Через кольма-сут. ации 29 0,07 АЩЗ+7 АЩГ 0,1 АЩЗ+10 АЩГ 22 20 1 АЩЗ+12 АЩГ 1 АЩЗ+15 АЩГ 20 1,2 АЩЗ+10 АЩГ 20 70 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 На Со с пластовой водой Зф 4 9 с 3 13 гб 35 г 0 Зф 50 5 к 11 5 Гипан с пластовой водой известный 1,5 4,4 6,0 12,0 1,60 2,43(прототип 1 1:12 0,1 Из-эа седимента,05ционной неустойчивости определение невозможно 25 20 1 г 3 То же Составитель Е.Тангалычев Техред М.Куэьма Редактор Г.Волкова Корректор 10,Макаренко Подписное ф Филиал ППП "Патентф, г, Ужгород, ул, Проектная, 4 Заказ 4335/27 Тираж 564 ВНИИПИ ГосУдарственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5