Магнитная гранулированная полимерная композиция и способ её использования для интеллектуального цементирования скважин обсадной колонны

Изобретение относится к полимерным соединениям, в частности к магнитной гранулированной полимерной композиции, которую можно использовать для интеллектуального цементирования скважин. Описана магнитная гранулированная полимерная композиция для цементирования на основе эластичной полимерной матрицы из натурального и/или синтетического каучука, выбранного из ряда стиролбутадиенового, бутилкаучука, силиконового, хлорвинилового, бутилакрилового, полиуретанового каучука, сополимеров этих каучуков с добавкой портландцемента, и магнитного наполнителя в виде магнитного порошка с размером частиц 1-100 мкм, такого как железо-неодим-бор NdFeB, и/или магнетит Fe₃O₄, и/или порошковое железо, и/или магнитные сплавы железа - железо-кобальт, и/или железо-никель, и/или пермаллоевый сплав, при следующем содержании компонентов, мас. ч.: магнитный наполнитель 5-40, портландцемент 1-50, полимерная матрица 100 и дополнительно углеродные или базальтовые волокна 0-50, обеспечивающая получение следующих характеристик - плотность магнитной полимерной композиции 1-3,5 г/см³, упругость 0,5-30 МПа, намагниченность остаточная 1-30 Гс⋅см³/г с рабочей температурой от -50 до +200°С. Также описан способ для интеллектуального цементирования скважин. Технический результат: повышение качества цементирования скважины. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл., 14 пр.

 

Изобретение относится к полимерным соединениям, в частности, к магнитной гранулированной полимерной композиции, которую можно использовать для интеллектуального цементирования скважин.

В US 8424598 В2, опубл. 23.04.2013 описан способ контроля подземных потоков в скважинах, за счет использования интеллектуального материала, содержащего магниточувствительные компоненты.

Из RU 2286374 С2, опубл. 27.10.2007 известно изобретение, которое может быть использовано в производстве цементирования технических колонн в скважинах. Композиционный состав тампонажной смеси содержит магнезит каустический, суперфосфат двойной, крахмальный реагент, триполифосфат натрия и воду, а в качестве цементирующей основы он содержит шлам-отход производства магния.

Из RU2079645 С1, опубл. 20.05.1997 известен способ ограничения притока пластовой воды в скважину, который включает последовательную закачку в пласт изолирующего раствора на основе водного раствора полиакриламида и его сшивающего агента на основе водного раствора соли поливалентного металла в стехиометрическом количестве по отношению к реакционным группам изолирующего раствора, при этом, предусматривается предварительное введение в изолирующий раствор на основе водного раствора полиакриламида магнитоактивного вещества, карбоната щелочного металла и поверхностно-активного вещества, а после закачки в пласт изолирующего раствора - пуск в скважину магнита, запуск скважины для воздействия на водонасыщенный материал пласта постоянным магнитным полем до полного удаления из нефтенасыщенного интервала пласта проникающего в него изолирующего раствора и остановку скважины для ввода сшивающего агента.

Из US 4802534 известен способ для обработки магнитных жидкостей для применения в тампонажных смесях скважин. Цементирующие жидкости могут включать: а) гидравлический цемент, b) тонкодисперсные магнитные частицы, с) связующее вещество или поверхностно-активное вещество и D) жидкую среду. Связующее вещество или поверхностно-активное вещество присутствует в композициях в количестве, достаточном для придания композициям устойчивости в магнитном поле. При использовании в цементирующих скважинах цементирующие феррожидкости имплантируются в кольцевое пространство, отделяющее обсадную колонну от пласта в стволе скважины традиционными методами, и суспензия затем подвергается активирующему переменному магнитному полю, которое вызывает движение шквала.

Из US 8424598 В2, опубл. 23.04.2013 известен способ обеспечения контролируемой подачи присадок к подземной жидкости в скважину и/или в окружающую подземную среду с использованием интеллектуальных материалов, реагирующих на магнитный стимул для высвобождения присадок к подземной жидкости в подземной среде. Способ включает добавление жидкой добавки в подземное образование включая магнитночувствительный компонент, и предоставление магнитного источника.

В RU2471962 C1, опубл. 10.01.2013 описано изобретение, которое относится к области первичного и вторичного цементирования скважин с применением пенной технологии. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности цементирования за счет повышения тампонирующей способности применяемого пенного цементного раствора и стабильности его пенной структуры, а также повышения устойчивости цементного камня на его основе к температурным, ударным и коррозионным воздействиям.

Недостатки известных способов заключаются в следующих особенностях исполнения процесса: при продавке столб тампонажной смеси в заколонном пространстве устанавливается на заданный интервал закачкой рассчитанного объема цементной пачки, при этом, осуществляется грубая настройка расположения цементной смеси в заколонном пространстве. Возникают проблемы: недоподъем цементного раствора, появление заколонного перетока из-за неконтролируемой однородности цементной смеси, неправильное и неконтролируемое распределение наполнителей в цементном камне, - которые определяются на стадии оценки качества цементирования после этапа ожидания затвердения цемента.

Заявленное изобретение позволяет достичь следующие технические результаты (устранить указанные недостатки аналогов):

Определить проблемные интервалы цементирования скважины и выполнить более качественное крепление и цементирование скважины, за счет более тонкой настройки расположения цементной смеси и контролируемой однородности наполнителя цементной смеси, увеличение контакта с горной породой или обсадной колонной с цементным камнем, снижение рисков возникновения межпластового перетока, обеспечивая повышение качества цементирования скважины, т.е. усовершенствование цементирования нефтяных, газовых и водяных скважин и разобщения пластов-коллекторов.

Указанные выше технические результаты реализуются предоставлением магнитной гранулированной полимерной композиции, которая представляет собой гранулированный полимер со следующими характеристиками - плотность магнитного полимера 1-3,5 г/см³, упругость 0,5-30 МПа, намагниченность остаточная 1-30 Гс.см³/г с рабочей температурой от -50 до +200°С на основе эластичной полимерной матрицы из натурального и/или синтетического каучука, выбранного из ряда стиролбутадиеновый, бутилкаучук, силиконовый, хлорвиниловый, бутилакриловый, полиуретановый каучук, сополимеров этих каучуков с добавкой портландцемента, и магнитного наполнителя в виде магнитного порошка с размером частиц 1-100 мкм такого как железо-неодим-бор NdFeB и/или магнетит Fe₃O4 и/или порошковое железо и/или магнитные сплавы железа - железо-кобальт и/или железо-никель и/или пермаллоевый сплав, при следующем содержании компонентов, мас. ч.: магнитный наполнитель 5-40, портландцемент 1-50, полимерная матрица - 100 и дополнительно углеродные или базальтовые волокна - 0-50.

Магнитная гранулированная полимерная композиция подходит для получения тампонажной смеси, которая содержит в качестве функциональных добавок армирующие добавки, ускорители, замедлители, утяжелители, облегчающие добавки, газогенерирующие присадки, понизители водоотдачи, диспергаторы, добавки улучшения седиментационных свойств, пеногасители, пенообразователи, тиксотропные добавки и их комбинации в виде традиционно применяемых для этих целей веществ, таких как, например, кристаллический диоксид кремния, аморфный диоксид кремния, гидратирующиеся глины, обожженный или остеклованный сланец, шлак, кизельгур, метакаолин, зола рисовой шелухи, природный пуццолан, цеолит, цементная пыль, известь, соли и смолы, латекс, их комбинации и тому подобное в виде волокон, микросфер, частиц.

Также, предложен способ, который включает в себя спуск в скважину обсадной колонны, закачивание в металлическую обсадную колонну тампонажной смеси, продавку и размещение его в заколонном пространстве, где процесс закачки включает стадии: внутрь обсадной колонны сбрасывается через цементировочную головку первая продавочная пробка с мембраной, после этого заливается (закачивается в металлическую обсадную колонну) цементный раствор, включающий в себя гранулированный магнитный полимер, скидывается через цементировочную головку вторая продавочная пробка, заливается продавочная жидкость, которая двигает вторую продавочную пробку и вытесняет цементный раствор через башмак обсадной колонны в заколонное пространство, до тех пор пока вторая пробка не соприкоснется со второй и получится момент СТОП при резком увеличении роста давления на поверхности скважины, спуск прибора для предварительной оценки и тонкой настройки расположения тампонажной смеси во время или после оставления тампонажной смеси на время ожидания затвердения, проведение магнитной обработки совместно или раздельно с предварительной оценкой цементной смеси, выполнение тонкой настройки расположения цементной смеси, где тонкая настройка осуществляется магнитной обработкой тампонажной смеси при диапозоне магнитного поля 0,6-3,4 Тс во время закачки смеси в скважину путем пропускания ее через кольцевой магнит или плоскопараллельный (постоянный (предпочтительнее) или электромагнит, при этом тампонажная смесь с намагниченными частицами магнитного полимера более плотно прилегает к металлической обсадной колонне.

При проведении интеллектуального цементирования скважины, т.е. выполнении тонкой настройки расположения тампонажной смеси, проводится закачка тампонажной смеси в обсадную колонну, продавка и размещение тампонажной смеси в заколонном пространстве скважины.

Процесс закачки осуществляется следующим образом. Внутрь обсадной колонны сбрасывается через цементировочную головку первая продавочная пробка с мембраной, после этого заливается (закачивается в металлическую обсадную колонну) цементный раствор, включающий в себя гранулированный магнитный полимер, сбрасывается через цементировочную головку вторая продавочная пробка, заливается продавочная жидкость, которая двигает вторую продавочную пробку и вытесняет цементный раствор через башмак обсадной колонны в заколонное пространство, до тех пор пока вторая пробка не соприкоснется с первой и получится момент СТОП при резком увеличении роста давления на поверхности скважины Дальше на стадии ожидания затвердения тампонажной смеси или после нее определяются проблемные зоны при затвердевании: проводится спуск в скважину скважинного прибора для предварительной оценки расположения тампонажной смеси. Прибор содержит источник гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном, детектор отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенный по оси прибора, и от 2 до 6 детекторов отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенных в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана, детектор естественного гамма-излучения горных пород. Также может производиться спуск дополнительного прибора-источника физического и/или электромагнитного поля в скважину совместно или раздельно с прибором для предварительной оценки расположения тампонажной смеси. Путем воздействия физического поля прибора-источника на наполнитель, насыщая его магнитными свойствами, увеличивается адгезия материала. Перемещая или вращая прибор-источник, наполнитель движется по направлению силовых линий, таким образом, позволяя перемещать тампонажную смесь из зоны с наибольшей концентрацией наполнителя в зону с наименьшей, повышая однородность тампонажной смеси и улучшая распределение наполнителя по объему пространства, таким образом, осуществляется тонкая настройка расположения тампонажной смеси. Изобретение иллюстрируют фигуры 1-5.

На фиг. 1 изображена доводка магнитного гранулированного полимера

На фиг. 2 изображен контрольный образец цемента 5% до удара

На фиг. 3 изображено показано, что контрольный образец полностью раскололся при ударе.

На фиг. 4 изображен образец цемента согласно изобретению до удара

На фиг. 5 показано, что образец цемента согласно изобретению не разрушен после удара

Примеры, описывающие способы получения магнитной полимерной композиции.

Пример 1.

Получают композицию смешиванием портландцемента, полимера и магнитного наполнителя, в котором в качестве полимерной матрицы используют натуральный каучук, а в качестве магнитного наполнителя используют магнитный порошок железо-неодим-бор NdFeB, см. пример 1 Таблицы 1.

Пример 2.

Получают композицию, в которой в качестве полимерной матрицы используют натуральный каучук и бутилкаучук, а в качестве магнитного наполнителя используют магнетит см. пример 2 Таблицы 1.

Пример 3.

Получают композицию, в которой в качестве полимерной матрицы используют силиконовый каучук, а в качестве магнитного наполнителя используют порошковое железо см. пример 3 Таблицы 1.

Пример 4.

Получают композицию, в которой в котором в качестве полимерной матрицы используют хлорвиниловый каучук, а в качестве магнитного наполнителя используют магнитный сплав железо-кобальт и железо см. пример 4 Таблицы 1.

Пример 5.

Получают композицию, в которой, в котором в качестве полимерной матрицы используют бутилакриловый каучук, а в качестве магнитного наполнителя используют магнитный сплав железо-никель см. пример 5 Таблицы 1.

Пример 6.

Получают композицию, в которой, в котором в качестве полимерной матрицы используют полиуретановый каучук, а в качестве магнитного наполнителя используют пермаллоевый сплав (пример 6 Таблицы 1).

Также в других, неограничивающих примерах в качестве полимерной матрицы могут быть использованы стиролбутадиеновый каучук и сополимеры вышеуказанных каучуков.

Используемые в Примерах 1-6 магнитные наполнители имеют размер частиц 1-100 мкм.

Все полученные в Примерах гранулы характеризуются следующими параметрами - плотность магнитного полимера 1-3,5 г/см³, упругость 0,5-30 МПа, намагниченность остаточная 1-30 Гс.см³/г с рабочей температурой от -50 до +200°С магнитные полимеры демонстрируют следующие характеристики: плотность магнитного полимера составляет 1-3,5 г/см³, упругость 0,5-30 МПа, намагниченность остаточная 1-30 Гс.см³/г с рабочей температурой от -50 до +200°С.

Примеры 7-11 показывают технологию при добавлении волокон при получении таких же итоговых характеристик полимера.

Содержание компонентов смеси представлено в Таблице 1.

Примеры получения тампонажной смеси.

При приготовлении тампонажной смеси в качестве магнитной полимерной композиции используют композиции, полученные в вышеописанных примерах. Примеры 12-14 (приготовление тампонажной смеси):

Для приготовления тампонажного раствора в качестве образца №1, предназначенного для пластовой температуры 60°С и содержащей 50 мас. ч. портландцемента ПЦТ-I-G ГОСТ 1581-96, добавляют 45 мас ч. пресной воды, пластификатор 0,1 мас. ч., замедлитель схватывания цементного раствора 0,1 мас. ч, седиментационную добавку 0,2 мас. ч., понизитель водоотдачи 0,6 мас. ч., и затем перемешивают до образования однородной системы.

Для приготовления структурообразующего раствора в качестве образца №2, предназначенного для пластовой температуры 60°С и содержащей 50 мас. ч. портландцемента ПЦТ-I-G ГОСТ 1581-96, добавляют 5 мас. ч магнитной полимерной композиции, добавляют 45 мас. ч пресной воды, пластификатор 0,1 мас. ч замедлитель схватывания цементного раствора 0,1 мас. ч, седиментационная добавка 0,2 мас ч, понизитель водоотдачи 0,6 мас. ч и затем перемешивают до образования однородной системы.

Для приготовления структурообразующего раствора в качестве образца №3, предназначенного для пластовой температуры 60°С и содержащей 100 мас ч портландцемента ПЦТ-I-G ГОСТ 1581-96, добавляют 8 мас.ч магнитной полимерной композиции, добавляют 45 мас. ч пресной воды, пластификатор 0,1 мас. ч замедлитель схватывания цементного раствора 0,1 мас. ч, седиментационная добавка 0,2 мас ч, понизитель водоотдачи 0,6 мас .ч и затем перемешивают до образования однородной системы.

Другие примеры, описывающие получение тампонажной смеси, содержат следующий компонентный состав в мас. ч.: портландцемент - 100, магнитная полимерная композиция от 1 до 50, пресную воду - 45, а также, дополнительно могут быть добавлены функциональные добавки в виде армирующих добавок, ускорителей, замедлителей, утяжелителей, облегчающих добавок, газогенерирующих присадок, понизителей водоотдачи, диспергаторов, добавок, улучшающих седиментационные свойства, пеногасителей, пенообразователей, тиксотропных добавок и их комбинации в виде традиционно применяемых для этих целей веществ, таких как, например, кристаллический диоксид кремния, аморфный диоксид кремния, гидратирующиеся глины, обожженный или остеклованный сланец, шлак, кизельгур, метакаолин, зола рисовой шелухи, природный пуццолан, цеолит, цементная пыль, известь, соли и смолы, латекс, их комбинации и тому подобное в виде волокон, микросфер, частиц - от 0 до 50.

Свойства полученной тампонажной смеси (образцы 1-3) и камня из него приведены в Таблицах 2 и 3.

1. Магнитная гранулированная полимерная композиция для цементирования на основе эластичной полимерной матрицы из натурального и/или синтетического каучука, выбранного из ряда стиролбутадиенового, бутилкаучука, силиконового, хлорвинилового, бутилакрилового, полиуретанового каучука, сополимеров этих каучуков с добавкой портландцемента, и магнитного наполнителя в виде магнитного порошка с размером частиц 1-100 мкм, такого как железо-неодим-бор NdFeB, и/или магнетит Fe₃O₄, и/или порошковое железо, и/или магнитные сплавы железа - железо-кобальт, и/или железо-никель, и/или пермаллоевый сплав, при следующем содержании компонентов, мас. ч.:

магнитный наполнитель 5-40,

портландцемент 1-50,

полимерная матрица 100

и дополнительно углеродные или базальтовые волокна 0-50,

обеспечивающая получение следующих характеристик - плотность магнитной полимерной композиции 1-3,5 г/см³, упругость 0,5-30 МПа, намагниченность остаточная 1-30 Гс⋅см³/г с рабочей температурой от -50 до +200°С.

2. Способ для интеллектуального цементирования скважин обсадной колонны с магнитной гранулированной полимерной композицией по п. 1, включающий спуск в скважину металлической обсадной колонны, закачивание в обсадную колонну тампонажной смеси с магнитной полимерной композицией, продавку и размещение в кольцевом пространстве, при этом процесс закачки включает следующие стадии: внутрь обсадной колонны сбрасывается через цементировочную головку первая продавочная пробка с мембраной, после этого заливается (закачивается в металлическую обсадную колонну) цементный раствор, включающий в себя гранулированный магнитный полимер, скидывается через цементировочную головку вторая продавочная пробка, заливается продавочная жидкость, которая двигает вторую продавочную пробку и вытесняет цементный раствор через башмак обсадной колонны в заколонное пространство, до тех пор пока вторая пробка не соприкоснется со второй и получится момент СТОП при резком увеличении роста давления на поверхности скважины, спуск прибора для предварительной оценки и тонкой настройки расположения тампонажной смеси во время или после оставления тампонажной смеси на время ожидания затвердения, проведение магнитной обработки совместно или раздельно с предварительной оценкой тампонажной смеси, выполнение тонкой настройки расположения тампонажной смеси, при этом магнитная обработка тампонажной смеси проводится при диапазоне магнитного поля 0,6-3,4 Тс во время закачки смеси в скважину путем пропускания ее через кольцевой магнит или плоскопараллельный (постоянный предпочтительнее) или электромагнит, обеспечивая, таким образом, более плотное прилегание тампонажной смеси с магнитной композицией к обсадной колонне.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при продавке столб тампонажной смеси в заколонном пространстве устанавливается на заданный интервал закачкой рассчитанного объема смеси.

4. Способ по пп. 2, 3, отличающийся тем, что проведение магнитной обработки осуществляется прибором с источником гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном, детектором отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенным по оси прибора, и от 2 до 6 детекторами отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенными в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана, детектором естественного гамма-излучения горных пород.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что может производиться спуск дополнительного прибора-источника физического и/или электромагнитного поля в скважину совместно или раздельно с прибором для предварительной оценки расположения тампонажной смеси.