информативная тампонажная смесь

Формула изобретения

Информативная тампонажная смесь, включающая вяжущее вещество, жидкость затворения и индикаторную добавку, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регулятор технологических свойств - суперпластификатор С-3 и замедлитель схватывания - нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ, в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ, а в качестве индикаторной добавки - водорастворимую кадмиевую соль - хлорид, сульфат, нитрат, бромид, йодид кадмия или их водорастворимую смесь при следующих соотношениях ингредиентов, вес.ч.:

Тонкомолотый цемент
Микродур или ИНТРАЦЕМ	100
Водорастворимая кадмиевая соль	10-120
Жидкость затворения	50-150
Суперпластификатор С-3	0,3-1
Нитрилотриметиленфосфоновая кислота - НТФ	0,02-0,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к области цементирования обсадных колонн, капитальному ремонту скважин, изоляции пластовых вод, ликвидации межпластовых перетоков, и используется в качестве индикатора для получения раствора с информативными свойствами о качестве цементирования, определения интервалов заполнения и приемистости при закачке тампонажного раствора и распределения его по вертикали за колонной.

Известна тампонажная смесь, содержащая цемент, воду и индикаторную добавку в виде радиоактивного газового изотопа-радона [М.С.Макаров «Применение индикаторного метода по радону при цементировании скважин». ВНИИОЭНГ, НТС, сер. Нефтегазовая геология, геофизика и бурение», вып.5, 1985], при следующем соотношении компонентов, вес. ч.: цемент - 100, вода - 50, водный раствор радона активностью 1500 мкр (микрорентген) - 2.

Известен способ использования в качестве индикатора в тампонажном растворе радиоактивного радионуклида газа криптона-85, имеющего период полураспада 10,3 года [«Практическое руководство по применению индикаторного метода для долголетней оценки герметичности затрубного пространства», РД-05-10-03, Волгоград, 2003 г, ООО «Лукойл-Нижневолжскнефть», ООО «Лукойл-Волгоград НИПИморнефть»].

Местоположение и размещение тампонажных растворов с индикаторами по стволу и за колонной в этих случаях определяется по аномалиям радиоактивности по отношению к естественному фону горных пород.

Недостатками использования вышеуказанных радиоактивных газов в качестве индикаторов являются:

- узкая область применения из-за повышенной затратности технологии, сложности с поставками изотопов и радиоактивной опасности для экологии и здоровья человека;

- недостаточная достоверность получаемой информации во времени о местоположении и распределении тампонажного раствора по пропласткам горной породы в заколонном пространстве из-за миграции (всплытия) газообразных радиоактивных индикаторов вверх;

- значительная искаженность фоновой гамма-активности в диапазоне 100-300 м.

Наиболее близким к заявляемой тампонажной смеси является тампонажный раствор по Ав.св. СССР № 1065581 при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: цемент - 100, вода - 45-50, индикаторная добавка - октоборат натрия Na₂B₈O₁₃ - 1,2-5, кальцинированная сода - 4-6, каустическая сода - 1-3.

В данной смеси использование в качестве индикатора октобората натрия основано на свойстве бора поглощать нейтроны, испускаемые источниками скважинных геофизических приборов.

Недостатками данного тампонажного раствора являются:

- узкая область применения, обусловленная трудностями организации процесса приготовления смеси в промысловых условиях.

Это обусловлено тем, что октоборат натрия, гидролизуясь в жидкости затворения, обладает сильным замедляющим твердение цементного раствора действием. Для нейтрализации указанного эффекта требуется введение в жидкость затворения щелочного реагента-ускорителя - кальцинированной соды. Но слишком узкие пределы добавки данного ускорителя, имеющей невысокую растворимость, ниже которой он не оказывает действия на ускорение схватывания, выше которых раствор становится непрокачиваемым, создают дополнительные трудности при затворении состава и снижают надежность и безопасность проведения цементировочных работ. Устранить эти трудности удается при добавке в тампонажный раствор дополнительного щелочного ускорителя, как каустическая сода. В целом же добавка двух щелочных ускорителей вызывает определенные практические трудности в процессе приготовления, регулирования прокачиваемости и закачки цементного раствора. Причем использование каустической соды требует использования специальных химических средств защиты. Кроме того, октоборат натрия является нераспространенным реагентом и практически нерастворим в воде;

- низкая эффективность тампонажных работ из-за плохой фильтруемости смеси на цементной основе, особенно в низкопроницаемые коллектора, микрозазоры и микротрещины.

Это обусловлено размерами частиц цемента и октобората натрия 30-50 мкм, которые не могут проникать в каналы, трещины и микротрещины с меньшими размерами;

- недостаточная информативность (чувствительность), затрудняющая в ряде случаев интерпретацию скважинных геофизических исследований: нейтронного гамма-каротажа (НТК), импульсного нейтронного гамма-каротажа (ИНГК) и аналогичных им, по определению интервалов приемистости и размещения тампонажной смеси за колонной.

Это связано с использованием в качестве индикатора октобората натрия (Na₂B₈O₁₃), обладающего недостаточным сечением захвата для поглощения нейтронов, так для бора эта величина составляет 755 барн.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является расширение области применения и повышение эффективности тампонажных работ за счет повышения информативности, улучшения технологических возможностей тампонажной смеси, упрощения ее приготовления в промысловых условиях, повышенной фильтрующей способности в низкопроницаемые коллектора, микрозазоры и микротрещины.

Данный технический результат достигается решением задачи, направленной на создание глубоко проникающей в горные породы информативной тампонажной смеси, включающей вяжущее, жидкость затворения и индикаторную добавку, дополнительно содержащей суперпластификатор С-3 и НТФ. В качестве структурообразователя используют тонкодисперсное вяжущее «Микродур» и «ИНТРАЦЕМ», в качестве индикатора используются водорастворимые кадмийсодержащие соли, которые можно эффективно использовать в широких диапазонах температур, давлений, в том числе в коллекторах с межзерновым пространством менее 30 мкм, а также при наличии трещин и микротрещин с меньшими размерами, кроме того, в течение неограниченного времени проводить индикацию распределения цемента за обсадной колонной с помощью нейтронного импульсного каротажа.

Техническая задача решается тем, что информативная тампонажная смесь (ИТС) включает вяжущее вещество, жидкость затворения, индикаторную добавку, при этом она дополнительно содержит регулятор реологических свойств - суперпластификатор С-3 и замедлитель схватывания - нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ, в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ и в качестве индикаторной добавки - водорастворимую кадмиевую соль при следующих соотношениях ингредиентов, вес.ч.:

Тонкомолотый цемент
Микродур или ИНТРАЦЕМ	100
Водорастворимая кадмиевая соль	10-120
Жидкость затворения	100-150
Суперпластификатор С-3	0,3-1
Нитрилотриметиленфосфоновая кислота - НТФ	0,02-0,5

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что информативная тампонажная смесь в качестве индикаторной добавки содержит водорастворимую кадмиевую соль: хлорид, сульфат, нитрат, бромид, иодид кадмия или их любую смесь, и дополнительно суперпластификатор С-3 и нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ, а в качестве структурообразователя используют тонкодисперсное вяжущее «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ».

В предлагаемой информативной тампонажной смеси введение кадмиевосодержащего вещества позволяет практически в течение неограниченного времени с помощью нейтронных видов геофизического каротажа проводить индикацию местоположения и распределения цемента за обсадной колонной и в горной породе.

В естественных цементах и породах содержание кадмия незначительно и составляет тысячные доли процента, тогда как кадмиевые соли в своем составе содержат 50-65% кадмия, что к общей массе тампонажной смеси составляет около 15-20%. Такая значительная разница в содержании кадмия в земной коре позволяет кадмиевым солям являться надежным индикатором местонахождения включающего его тампонажного раствора.

Следует отметить, что в отличие от прототипа предлагаемая информативная тампонажная смесь имеет в своем составе в 10-50 раз и более большее количество нейтроновзаимодействующего вещества, так как сечение захвата нейтронов у кадмия (Cd) в 3,3 раз больше, чем у бора (В) и составляет 2500 барн. Так же, в отличие от прототипа, хорошая (75-162 г/100 г) растворимость бромида и сульфата кадмия (CdBr ₂; CdSO₄) и весьма хорошая растворимость (287-327 и более г/100 г) хлорида и нитрата кадмия (CdCl₂; Cd(NO₃)₂) в воде позволяет подбирать и регулировать необходимую для разных скважинных условий требуемую информативность индикаторной смеси без ущерба для ее фильтрационной способности глубоко проникать в микрозазоры, микротрещины и горную породу.

Отсутствие собственного гамма-излучения, как у известных радиоактивных изотопов-индикаторов, не требует особых мер предосторожности при использовании кадмиевых солей.

Из известных тонкомолотых вяжущих наиболее эффективными являются Микродур или ИНТРАЦЕМ, получаемые на основе портландцемента.

В предлагаемой информативной тампонажной смеси в качестве высоководопотребного тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотые цементы, например, «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ». Вяжущее «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли, образующейся при помоле цементного клинкера, технология его изготовления разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA - BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» и защищена Европейским патентом. Диаметр зерен «Микродур» в 6-10 раз и более меньше частиц самого цементного клинкера. Благодаря малому размеру частиц (диаметр зерен 2-6 мкм), высокой удельной поверхности (20000-25000 см ²/г) и плавно подобранному гранулометрическому составу растворы «Микродур» обладают текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном количестве жидкости затворения, что позволяет суспензии «Микродура» глубоко проникать в низкопроницаемую горную породу. Время истечения (условная вязкость) суспензии в возрасте до 3 часов колеблется от 28 до 30 сек.

Технология изготовления особотонкомолотого цемента «ИНТРАЦЕМ», близкого по своим технологическим параметрам к «Микродуру», разработана РХТУ им. Д.И.Менделеева. Благодаря малому размеру частиц (менее 4,5 мкм), высокой удельной поверхности (>10000 см²/г) и нормированному гранулометрическому составу и введению специальных добавок «ИНТРАЦЕМ» образует стабильные водные дисперсии с высокой проникающей способностью, что позволяет растворам «ИНТРАЦЕМ» проникать в поры и трещины размером менее 0,1 мм, уменьшая открытую пористость материалов в 2-15 раз и увеличивая их механическую прочность.

В отличие от прототипа использование тонкодисперсного вяжущего Микродур или ИНТРАЦЕМ позволяет полнее связать воду и уплотнить структуру камня и тем самым обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность. Это обусловлено и тем, что тонкодисперсные вяжущие способны связывать воду во много раз больше, так как водотвердое отношение их может достигать 3,0-5,0 при удельной поверхности 20000-25000 см²/г против 0,3-0,5 обычных тампонажных цементов, имеющих удельную поверхность 3000-3500 см²/г.

В качестве жидкости затворения предлагаемой информативной тампонажной смеси обычно используют воду в количестве 100-150 вес.ч. При содержании жидкости затворения менее 50 вес.ч. тампонажный раствор становится непрокачиваемым, при более 150 вес.ч. у раствора наблюдается некоторый седиментационный отстой.

Информативная тампонажная смесь в качестве информативного материала содержит индикаторную добавку - водорастворимую кадмиевую соль в количестве 10-120 вес.ч. Добавка кадмиевой соли в смесь менее 10 вес.ч. слабо реагирует на время замедления нейтронов, а увеличение добавки более 120 вес.ч. не дает существенного прироста показаний замедления нейтронов.

Информативная тампонажная смесь в качестве замедлителя содержит нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ в количестве 0,02-0,5 вес.ч. Добавка НТФ в смесь более 0,5 вес.ч. увеличивает время прокачиваемости тампонажного раствора до 1 суток, а уменьшение добавки менее 0,02 вес.ч. сокращает время прокачиваемости до величин, недостаточных для проведения технологических операций с тампонажным раствором.

Информативная тампонажная смесь в качестве регулятора реологических свойств содержит суперпластификатор С-3 в количестве 0,3-1 вес.ч. Добавка суперпластификатора С-3 в смесь менее 0,3 вес.ч. не позволяет снижать вязкость тампонажного раствора, а увеличение добавки более 1 вес.ч. ведет к разжижению тампонажного раствора и некоторому расслоению.

Приготовление информативной тампонажной смеси ИТС может осуществляться централизовано в цехе сухих тампонажных композиций с использованием известных смесительных камер. Приготовленная гомогенная смесь подается в цементовозы или в бункеры цементно-смесительных машин или расфасовывается в герметичные упаковки весом 25-40 кг. Затем смесь тем или иным видом транспорта доставляется на скважину.

По второму варианту на скважине информативная тампонажная смесь готовится обычным способом с применением глиномешалки или агрегато-смесительных машин АСМ-25, УСО-16, в которые последовательно вводят компоненты: воду, кадмийсодержащее вещество, реагент-замедлитель, реагент пластификатор и вяжущее вещество.

Определение основных свойств раствора и камня проводят в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний». Определение плотности, растекаемости, водоотделения проводят при 22°С и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур испытания проводят при 75-90°С и атмосферном давлении. Для условий АВПД - при режимах температур до 120°С и давлении 60 МПа. Растекаемость определяют по конусу АЗНИИ, плотность - пикнометром, водоотделение - в мерном цилиндре, время загустевания - на консистометрах ZM-1002 и КЦ-3, предел прочности на сжатие - на испытательном стенде 4207D - CHANDLER. Нейтронное замедление измерялось с помощью прибора ИННК.

При проведении лабораторных исследований были использованы:

- Микродур или ИНТРАЦЕМ;

- хлорид, сульфат, нитрат, бромид, йодид кадмия (безводный);

- НТФ (нитрилотриметиленфосфоновая кислота);

- суперпластификатор С-3;

- вода.

Пример.

Для приготовления информативной тампонажной смеси (состав 4, табл. 1) в воду объемом 1000 см³ путем последовательного перемешивания добавляется 0,5 г НТФ, 3 г суперпластификатора С-3, 500 г хлорида кадмия, 1000 г Микродура. Состав перемешиваем 3 мин, после чего определяем растекаемость, плотность, прокачиваемость. Заливаем формы для испытания образцов на прочность через 2 суток твердения.

Результаты испытания приведены в табл. 1. Для состава 4 - плотность раствора 1,75 г/см³, растекаемость 26 см, прочность на изгиб 2,0 МПа.

Для измерения нейтронного замедления состав 4, табл. 1, был залит в стенд с кольцевым пространством 225×127 мм и длиной 1500 м. Внутри стенда в трубе с внутренним диаметром 108 мм с залитой водой находился импульсный прибор нейтронного гамма-каротажа.

Замеры нейтронного замедления показали уменьшение импульсов в минуту в 6-10 раз по сравнению с образцом, приготовленным из чистого Микродура или ИНТРАЦЕМА.

Преимущества предлагаемой информативной тампонажной смеси ИТС:

- расширение области применения и повышение эффективности тампонажных работ за счет повышения информативности, улучшения технологических возможностей тампонажной смеси, упрощения ее приготовления в промысловых условиях, повышенной фильтрующей способности в низкопроницаемые коллектора, микрозазоры и микротрещины;

- возможность индикаторного мониторинга в течение неограниченного времени;

- снижение вредного влияния на окружающую среду и людей.

Экономический эффект от использования заявляемой информативной тампонажной смеси будет определяться за счет повышения эффективности тампонажных работ и возможности индикаторного мониторинга в течение неограниченного времени без привлечения дополнительных средств на установку индикаторных меток.