Способ регулирования скорости твердения цементных растворов

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, конкретно, к тампонажным материалам, применяемым при креплении нефтяных и газовых скважин. Для регулирования твердения цементных тампонажных растворов в сухой цемент вводят ускоритель твердения, помещенный в защитную оболочку, растворяющуюся при гидратации клинкерных минералов цемента. Технический результат - предотвращение преждевременного загустевания тампонажного раствора, сокращение времени между окончанием операции цементирования и затвердеванием раствора, исключение осложнений при цементировании. 1 табл.

 

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, конкретно к цементным тампонажным материалам, применяемым при креплении нефтяных и газовых скважин.

Для крепления нефтяных и газовых скважин наиболее эффективным материалом является тампонажный портландцемент, образующий при смешении с водой цементный тампонажный раствор, который закачивается в скважину и после твердения превращается в цементный камень.

Наиболее существенным недостатком цемента, как тампонажного материала, является сложность регулирования его скорости твердения. Суспензия цемента в воде, образующая тампонажный раствор, имеет сроки схватывания от 4 до 10 часов [1]. При этом в тампонажном растворе, находящемся в скважине в покое в течение 2-6 часов, происходят седиментационные процессы, приводящие к образованию флюидопроводящих каналов в формирующемся цементном камне [2]. Именно в этот период на скважинах чаще всего наблюдаются осложнения в виде затрубных газонефтепроявлений, часто переходящих в открытые фонтаны [3].

Регулирование твердения цементов с помощью реагентов ускорителей твердения [4], вводимых в жидкость затворения или в сухой портландцемент, приводит к преждевременному загустеванию тампонажного раствора и возникновению осложнений при цементировании скважин [5].

Поэтому необходимо максимально сократить время между окончанием операции цементирования и затвердеванием раствора с превращением его в цементный камень.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ регулирования твердения цементных растворов путем ввода добавок в сухой тампонажный цемент [6].

Недостатком указанного способа является низкая эффективность применения реагентов-регуляторов (ускорителей) твердения, приводящая к преждевременному загустеванию тампонажного раствора и, как следствие, к возникновению осложнений.

Технической задачей настоящего изобретения является возможность устранения указанных недостатков.

Указанная задача решается тем, что в способе регулирования твердения цементных тампонажных растворов путем ввода ускорителя твердения в сухой цемент используют ускоритель твердения, помещенный в защитную оболочку, растворяющуюся при гидратации клинкерных минералов цемента.

Таким образом, в предлагаемом изобретении применяется новая технология ввода добавки в тампонажную композицию, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем. Добавка ускорителя твердения помещается в специальную оболочку, которая растворяется в с заданной скоростью в щелочной среде, образующейся при гидратации клинкерных минералов цемента. Скорость растворения задают за счет определенной толщины и состава защитного слоя, подобранной с учетом рН среды, температуры в скважине и продолжительности процесса цементирования. Полученную таким образом добавку вводят в расчетном количестве в сухой цемент, который затворяется в жидкости и закачивается в скважину. Поскольку при закачке и продавке тампонажного раствора благодаря защитной оболочке цемент не контактирует с добавкой ускорителя твердения, то свойства раствора на этом этапе процесса цементирования не меняются, что исключает осложнения при данной операции. При этом процессы гидратации и структурообразования идут с обычной скоростью. В процессе закачки и продавки цементного тампонажного раствора в скважину оболочка растворяется в растворе щелочи, образующейся при гидратации клинкерных минералов цемента, и поэтому добавка начинает реагировать с цементом только после доставки цементного раствора в необходимое место в скважине. При этом цементный раствор быстро твердеет.

В научно-технической литературе известно применение лекарственных препаратов, заключенных в растворимые оболочки. Как правило, это водо- или кислоторастворимые оболочки. Однако из научно-технической литературы неизвестно применение добавок с растворимой щелочной оболочкой для регулиирования скорости твердения тампонажных растворов, используемых при креплении скважин.

Это свидетельствует о соответствии предлагаемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Пример реализации способа.

Необходимо приготовить цементный тампонажный раствор для цементирования скважин, причем продолжительность операции составляет 3 часа.

Пример 1. Тампонажный раствор, приготовленный из тампонажного портландцемента ПЦТ-1-50 с водоцементным отношением (В/Ц), равным 0,5 при температуре 22°С, имел свойства, приведенные в таблице (опыт №1).

Пример 2. В качестве добавки ускорителя твердения использован водорастворимый силикат натрия (жидкое стекло) в количестве 2%, который был предварительно растворен в жидкости затворения (пресной воде).

Полученный тампонажный раствор имел показатели, приведенные в таблице (опыт №2).

Пример 3. В соответствии с предлагаемым способом жидкое стекло помещалось в оболочку из щелочерастворимого стекла, причем время растворения оболочки составляло 3 часа, которое было необходимо для приготовления, закачки и продавки цементного раствора в скважину. Полученная добавка - ускоритель твердения - добавлялась в сухой цемент, и полученная смесь затворялась водой.

Полученный таким образом тампонажный раствор имел показатели, приведенные в таблице (опыт №3).

Таким образом, время между окончанием процесса цементирования и началом схватывания цементного раствора составило 30 мин, тогда как в опыте 1 это время составило 4 час 45 мин.

Ввод добавки ускорителя согласно прототипу (опыт 2) привел к образованию непрокачиваемого тампонажного раствора, который нельзя использовать для цементирования скважин.

Пример 4. Необходимо приготовить цементный тампонажный раствор для цементирования скважин, причем продолжительность операции составляет 3 часа, температура в скважине 50°С.

В качестве добавки ускорителя твердения использован хлорид кальция в количестве 8%, который был предварительно смешан с сухим цементом, и полученная смесь затворялась пресной водой. Полученный тампонажный раствор имел показатели, приведенные в таблице (опыт №4).

Пример 5. Готовился раствор для тех же условий, что и пример 4.

В соответствии с предлагаемым способом хлорид кальция помещался в щелочерастворимую оболочку (карбонизированное жидкое стекло), причем время растворения оболочки составляло, как и в предыдущем примере, 3 часа. Полученная добавка ускорителя твердения добавлялась в сухой цемент, и полученная смесь затворялась водой.

Приготовленный тампонажный раствор имел показатели, приведенные в таблице (опыт №5). Таким образом, время между окончанием процеса цементирования и началом схватывания цементного раствора составило 45 мин.

Ввод добавки ускорителя в цемент согласно прототипу (опыт 4) привел к ускорению твердения и сокращению прокачиваемости, которое было меньше продолжительности операции цементирования, т.е. получению цементного тампонажного раствора, который нельзя использовать для цементирования скважины при заданных условиях.

Уменьшением количества добавки можно для заданных условий приготовить раствор с прокачиваемостью, одинаковой с раствором, приготовленным по заявляемому способу (3 час 20 мин), см. таблицу (опыт 6).

Из таблицы видно, что в опыте 6 время между окончанием операции цементирования и началом схватывания раствора составило 1 час 35 мин, тогда как по предлагаемому способу всего 40 мин.

Во всех цементных тампонажных растворах, приготовленных согласно предлагаемому способу, сокращено время между окончанием цементирования и началом схватывания цементного раствора. Именно этот период времени является наиболее опасным, с точки зрения возникновения нефтегазопроявлений и образования каналов в твердеющем цементном тампонажном растворе. Указанный пример реализации способа показывает соответствие предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. ГОСТ 1581-96.

2. Газопроявления в скважинах и борьба с ними / А.И.Булатов, В.И.Рябченко, И.А.Сибирко, Н.А.Сидоров. - М: Недра, 1969.

3. Малеванский В.Д. Открытые газовые фонтаны и борьба с ними. - М.: Гостоптехиздат, 1963. - 212 с.

4. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд. М.: Недра, 1987. Стр. 156.

5. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. М., Недра, 1979.

6. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд. М.: Недра, 1987. Стр. 204.

Таблица
№ опыта	Добавка	%	Способ ввода добавки	Температура, °С	Растекаемость, см после перемешивания, час	Сроки схватывания, ч-мин	Прокачиваемость р-ра, ч-мин
0	1	2	2,5	3	начало	конец
1	Без добавок	-	-	22	24					7-45	9-30	6-05
2	Жидкое стекло	2,0	Прототип	22	12					2-15	3-10	Непрокачиваем
3	Жидкое стекло	2,0	По предлагаемому способу	22	24	22	19	18	17	3-30	4-10	3-15
4	Хлорид кальция	8,0	Прототип	50	25	20	16	14	12	3-05	4-20	2-30
5	Хлорид кальция	8,0	По предлагаемому способу	50	24	21	20	19	17	3-40	4-30	3-20
6	Хлорид кальция	3,0	Прототип	50	25	23	21	19	18	4-35	5-20	3-25

Способ регулирования твердения цементных тампонажных растворов путем ввода ускорителя твердения в сухой цемент, отличающийся тем, что используют ускоритель твердения, помещенный в защитную оболочку, растворяющуюся при гидратации клинкерных минералов цемента.