RU2400516C2

RU2400516C2 - Нанодобавка для операций по цементированию скважины для добычи углеводородного сырья

Info

Publication number: RU2400516C2
Application number: RU2008143700/03A
Authority: RU
Inventors: Ибран-Аргенис-Перера МЕРКАДО (VE); Ибран-Аргенис-Перера МЕРКАДО; Хоанна-Каролина-Кано РАМИРЕС (VE); Хоанна-Каролина-Кано РАМИРЕС; Адриана-Каролина-Уртадо АСЕВЕДО (VE); Адриана-Каролина-Уртадо АСЕВЕДО; Сусана-Исабель-Мартинес МЕНДЕС (VE); Сусана-Исабель-Мартинес МЕНДЕС
Original assignee: Интевеп, С.А.
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-09-27
Also published as: MX2008013859A; JP5646810B2; US8273173B2; CA2643866A1; CN101684404B; PE20100490A1; AU2008240323B2; AU2008240323A1; CU23800A3; CN101684404A; BRPI0805013A2; ECSP088887A; AR069602A1; CO6120160A1; RU2008143700A; CA2643866C; EP2165992A1; CL2008003263A1; JP2010070446A; US20100075874A1

Abstract

Настоящее изобретение относится к цементированию скважин для добычи углеводородного сырья, точнее к добавке к цементу, способу получения указанной добавки и к цементному продукту. Добавка к цементу, включающая частицы SiO2-CaO-Al2O3 и все наночастицы SiO2, 2CaOSiO2, 3CaOSiO2, Аl2О3, Р-Са. Цементный продукт включает частицы цемента и вышеуказанную добавку к цементу. Способ получения указанной добавки к цементу включает стадии: раздельного синтеза частиц SiO2-CaO-Al2O3 и наночастиц, перемешивания частиц SiO2-CaO-Al2O3 и наночастиц при регулируемых температуре и рН с образованием непрерывной поверхностно-активной системы, содержащей частицы и наночастицы, и объединения частиц SiO2-CaO-Аl2О3 и наночастиц с общим растворителем с образованием в основном однородной смеси частиц и наночастиц. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - улучшение механических и химических характеристик цементного продукта. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к операциям цементирования скважин для добычи углеводородного сырья, точнее к добавке, предназначенной для улучшения характеристик образовавшейся цементирующей структуры.

Существующие цементирующие системы, предназначенные для скважин для добычи углеводородного сырья, используют для заканчивания скважины и стабилизации канала между поверхностью и особенно подходящей зоной скважины. При использовании таких цементирующих систем возникают затруднения, например, когда цементирующие системы обладают плохими механическими характеристиками, когда окружающие пласты обладают плохими механическими характеристиками, когда наблюдаются затруднения с миграцией газа и флюидов и когда на систему воздействует высокосернистый нефтяной газ.

Необходимы улучшенные цементирующие системы, применимые при указанных разных условиях.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В контексте настоящего изобретения решены следующие задачи.

Настоящее изобретение относится к добавке к цементу, которая включает частицы SiO₂-CaO-Al₂O₃ и по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, включающей наночастицы SiO₂, 2CaO·SiO₂, 3CaO·SiO₂, Al₂O₃, Р-Са и их комбинации.

Настоящее изобретение также относится к цементному продукту, который содержит частицы цемента и частицы SiO₂-CaO-Al₂O₃ и по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, включающей наночастицы SiO₂, 2CaO·SiO₂, 3CaO·SiO₂, Al₂O₃, Р-Са и их комбинации.

Настоящее изобретение также относится к способу получения добавки к цементу, который включает стадии: раздельного синтеза каждой из частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц или предшественников частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц; термической обработки предшественников с получением частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц; перемешивания частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц при регулируемых температуре и pH с получением непрерывной поверхностно-активной системы, содержащей частицы SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастицы; и объединения частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц в общем растворителе с получением в основном однородной смеси частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления с использованием прилагаемых чертежей, на которых представлено следующее:

на фиг.1 представлена нанодобавка, предлагаемая в настоящем изобретении;

на фиг.2а и 2б (изображения получены с помощью ПЭСЭМ) представлены мелкие сферические и отдельные несферические частицы нано-C₂S(2CaO·SiO₂)

и на фиг.2в приведено полученное с помощью ВР-ТЭМ изображение более мелких наночастиц, содержащихся в этой системе;

на фиг.2г и 2д (изображения получены с помощью ПЭСЭМ) представлены мелкие сферические и отдельные несферические частицы нано-C₃S (3СаО·SiO₂), и на фиг.2е приведено полученное с помощью ВР-ТЭМ изображение более мелких наночастиц, содержащихся в этой системе;

на фиг.2ж (изображение получено с помощью ПЭСЭМ) мелкие сферические и отдельные несферические частицы нано-SiO₂, и на фиг.2з приведено полученное с помощью ВР-ТЭМ изображение более мелких наночастиц, содержащихся в этой системе;

на фиг.2и, к представлены результаты проведенного с помощью ПЭСЭМ исследования гидратации C₂S и C₃S соответственно, предлагаемых в настоящем изобретении;

на фиг.2л (изображение получено с помощью ВР-ТЭМ) представлено распределение нанофазы в наноструктурированных частицах SiO₂-СаО-Al₂O₃, предлагаемых в настоящем изобретении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к нанодобавке, которая является особенно полезной для цементных смесей, в особенности цементных смесей, которые необходимо использовать для заканчивания или других операций в скважинах для добычи углеводородного сырья.

Добавку можно использовать в любом типе цемента, и она предназначена для заполнения пустот между частицами и других участков цемента, обладающих высокой структурной пористостью, что уменьшает проницаемость цемента и повышает прочность и улучает другие желательные характеристики цемента после завершения цементирования. В конечной структуре цемента наночастицы добавки распределены в наноструктурированных частицах SiO₂-СаО-Al₂O₃ и содействуют приданию необходимых характеристик структуре цемента.

Добавка, предлагаемая в настоящем изобретении, включает частицы трехкомпонентной системы SiO₂-СаО-Al₂O₃. Из числа этих материалов SiO₂ при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как S, СаО при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как С, и Al₂O₃ при использовании в настоящем изобретении часто обозначается как А. Так, C₂S означает дикальцийсиликат, или 2CaO·SiO₂, и аналогичным образом C₃S означает трикальцийсиликат, или 3CaO·SiO₂. С этой трехкомпонентной системой смешивают наночастицы, выбранные из группы, включающей нано-SiO₂, нано-C₂S, нано-C₃S, нано-Al₂O₃ и нано-фосфор/кальций. В идеальном случае добавка, предлагаемая в настоящем изобретении, включает все эти компоненты, смешанные с образованием трехкомпонентной системы. Кроме того, сами частицы трехкомпонентной системы также предпочтительно могут являться наночастицами и могут быть наноструктурированными или не наноструктурированными.

При использовании в настоящем изобретении наночастицей считается любая частица размером 999 нм или менее. Кроме того, особенно предпочтительными размеры этих частиц являются следующими. Предпочтительно, если размер частиц добавки, т.е. частиц SiO₂, 2CaO·SiO₂, 3CaO·SiO₂, Al₂O₃ и Р-Са, составляет менее 100 нм. Предпочтительно, если частицы трехкомпонентной системы SiO₂-СаО-Al₂O₃ меньше 900 нм. Предпочтительно, если размер частиц добавки меньше размера частиц трехкомпонентной системы.

На фиг.1 представлена добавка, предлагаемая в настоящем изобретении, содержащая частицы трехкомпонентной системы, представленные на фиг.1 в виде S-C-A и наночастиц нано-SiO₂, нано-C₂S, нано-C₃S, нано-Al₂O₃ и нано-фосфор/кальций. Добавка, такая как представленная на фиг.1, обладает большой поверхностной энергией и поэтому образует конгломераты, которые содержат наночастицы в качестве ядер. Такой тип конгломерирования способствует тому, что в полученной цементирующей матрице добавка приобретает благоприятные характеристики. Кроме того, при проведений операций цементирования добавка способствует тому, что при гидратации цемент образует необходимый гель C-S-Н. Гидратация наночастиц материала S-C-A приводит к образованию геля C-S-H, а также некоторого количества гидроксида кальция, Са(ОН)₂, который будет непосредственно взаимодействовать с нано-SiO₂ с образованием дополнительного количества геля C-S-H. Гидратация нано-C₂S и нано-C₃S приводит к образованию дополнительного количества геля C-S-H. Нано-Al₂O₃также может взаимодействовать с гидроксидом кальция, Са(ОН)₂, с образованием геля С-А-Н, а также геля C-A-S-H, если реакция протекает с участием частиц нано-SiO₂. Кроме того, нано-фосфор/кальций и его химические реакции приводят к высокой химической стойкости матрицы цементирующей системы. Одновременные химические взаимодействия между всеми нанокомпонентами приводят к непосредственному улучшению механических, термических и химических характеристик образовавшегося твердого вещества.

Как указано выше, это улучшение механических, термических и химических характеристик является особенно полезным для решения задач, связанных с плохими механическими характеристиками цементирующих систем для нефтяных и газовых скважин, систем, для которых наблюдаются затруднения с миграцией газа и флюидов, систем, на которые воздействует высокосернистый нефтяной газ, и т.п.

При использовании в виде цементирующей системы добавку к цементу смешивают с цементом и протекают следующие химические реакции:

Реакции цементирующего наноматериала:

S-C-A+H₂O→C-S-H_(gel)+Ca(OH)₂

C₃S+H₂O→С-S-H_(gel)+Са(ОН)₂

C₂S+Н₂О→С-S-H_(gel)+Ca(OH)₂

Са/Р+Н₂О→С-Р-ОН

Реакции пуццоланового наноматериала:

2SiO₂+3Са(ОН)₂→С-S-H_(gel)

Al₂O₃+3Са(ОН)₂+3H₂O→С-А-Н_(hydrate)

2SiO₂+Al₂O₃+3Са(ОН)₂+3H₂O→S-С-А-H_(hydrate)

В дополнение к указанным также могут протекать химические реакции между системой нано-фосфор/кальций и нано-SiO₂, нано-Al₂O₃ и/или Са(ОН)₂, и это также может улучшить механические и химические характеристики образовавшейся структуры. Таким образом, нанодобавка, предлагаемая в настоящем изобретении, приводит к параллельным реакциям с регулируемой кинетикой, межфазным реакциям, протекающим in situ фазовым переходам и образованию микроструктуры, которые являются ключевыми факторами в решении задач настоящего изобретения.

Наночастицы добавки могут обладать сферической, эллипсоидной или пластинчатой формой или могут обладать неправильной формой и также могут включать распределенные в них керамические наночастицы. Как отмечено выше, предпочтительно, если размер этих наночастиц составляет примерно от 1 до 100 нм.

В контексте настоящего изобретения нанодобавку можно получить по золь-гелевой технологии. Ее можно использовать для формирования различных требующихся наночастиц, предпочтительно по отдельности. Методика получения может начинаться с регулируемого смешивания предшественников, например, Са(NO₃)₂·4H₂O и тетраэтилортосиликата (ТЭОС). Это смешивание проводят при регулируемых параметрах, таких как температура и pH. Предпочтительно, если температура и pH ограничиваются значениями, равными 80°С для температуры и 1-7 для pH. Соотношения различных компонентов можно выбрать так, чтобы получить необходимые компоненты, например C₂S, C₃S и т.п.

Наночастицы получают с использованием определенной обеспечивающей ограничение наноразмера поверхностно-активной системы, образующейся, когда в системе устанавливается критическая концентрация мицелл (ККМ) для каждого конкретного поверхностно-активного вещества, и систему подвергают термической обработке при необходимой температуре с получением необходимых кристаллических фаз. Затем кристаллические фазы можно равномерно смешать с любым необходимым цементом и обеспечить указанные выше преимущества во время гидратации и окончательного затвердевания цементирующей структуры. Точнее, наночастицы будут заполнять пустоты между частицами и другие участки цемента, обладающие высокой структурной пористостью, и образовывать намного менее проницаемую структуру.

Как указано выше, каждый компонент нанодобавки предпочтительно синтезировать по отдельности. После синтеза всех компонентов их можно объединить в общем растворителе, например в водной системе, которая предпочтительно должна быть совместимой с цементирующей системой. Содержания всех компонентов нанодобавки можно легко рассчитать в соответствии с составом конечной системы. С помощью этого способа компоненты добавки можно получить по отдельности, объединить в общем растворителе и смешать с цементом конечной цементирующей системы. После такого объединения также можно прибавить любые другие компоненты цементирующей системы.

Количество использующейся нанодобавки зависит от условий затвердевания (температура, давление и т.п.) и взаимодействия с другими компонентами цементирующей системы, которые могут включаться для регулирования других параметров. Например, если цементирующая система содержит более 50% цемента, может потребоваться использование нанодобавки, предлагаемой в настоящем изобретении, в количестве, составляющем от примерно 0,1 до примерно 5 мас.% в пересчете на цемент. С другой стороны, если конечная цементирующая система должна представлять собой цементирующую систему, аналогичную бетону, то количество использующейся нанодобавки может предпочтительно составлять от примерно 1 до примерно 20 мас.% в пересчете на цементирующую систему.

В приведенном ниже примере описан синтез различных компонентов добавки, предлагаемой в настоящем изобретении.

Пример. Получение высокореакционно-способных фаз нано-C₃S и нано-C₂S.

Образцы получали по золь-гелевой технологии, модифицированной путем включения поверхностно-активного вещества. При использовании этой методики проводили достаточное и регулируемое смешивание чистых предшественников. В этом примере указанными предшественниками являлись Са(NO₃)₂·4H₂O и тетраэтилортосиликат (ТЭОС). Эти компоненты смешивали при поддержании комнатной температуры и pH в диапазоне 3-6. Молярное отношение CaO:SiO₂ в исходной смеси устанавливали составляющим 2:1 для одного образца и 3:1 для другого образца, так чтобы получить C₂S и C₃S соответственно. Наночастицы получали с использованием объединенной поверхностно-активной системы и конечные кристаллические фазы нано-C₃S и нано-C₂S получали с помощью последующей термической обработки при 900°С и 1400°С соответственно.

Продукт содержит мелкие сферические и отдельные несферические частицы нано-C₂S, как показано на фиг.2а, б и в, и нано-C₃S, как показано на фиг.2г, д и е. Эти частицы обладали размером, равным 10-200 нм, и их можно сопоставить с нано-SiO₂, синтезированными по сходной методике и представленными на фиг.2ж, з. Эти частицы обладали размером, равным менее 100 нм.

Частицы, синтезированные, как описано выше, исследовали с помощью рентгенографии с использованием излучения меди Кα (λ равно 15,418 Å) с графитовым монохроматическим фильтром для идентификации микроструктур.

Проведено исследование с помощью полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (ПЭСЭМ) с использованием прибора JEOL JSM-740 IF, а также характеризация каждой наносистемы с помощью трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения (ВР-ТЭМ) с использованием прибора JEOL 2010. С помощью ПЭСЭМ наблюдалась гидратация образцов ди- и трикальцийсиликата атмосферной водой при комнатной температуре, и результаты приведены на фиг.2i и j. Подготовка этих образцов для исследования с помощью ПЭСЭМ включала быстрое извлечение наночастиц из стакана и нанесение на них тонких пленок золота-палладия с использованием обычных систем напыления с последующим быстрым введением этих образцов в вакуумную камеру.

Выше показано, что наночастицы, предлагаемые в настоящем изобретении, можно получить рассмотренными способами и что полученные структуры являются особенно подходящими для улучшения характеристик цементирующей структуры.

В этом подробном описании представлены конкретные примеры материалов, предлагаемых в настоящем изобретении, и оно предназначено для иллюстрации особенностей настоящего изобретения и не является ограничивающим. Таким образом, подразумевается, что в объем настоящего изобретения входят все варианты осуществления в формулировках, приведенных в формуле изобретения, и их эквиваленты.

Claims

1. Добавка к цементу, включающая частицы SiO₂-CaO-Al₂O₃ и добавку, включающую все наночастицы SiO₂, 2CaOSiO₂, 3CaOSiO₂, Al₂O₃ и Р-Са.

2. Добавка к цементу по п.1, в которой наночастицы обладают формой, выбранной из группы, включающей сферическую, эллипсоидную, пластинчатую, неправильную форму и их комбинации.

3. Добавка к цементу по п.1, в которой частицы SiO₂-CaO-Al₂O₃представляют собой наноструктурированные частицы материала.

4. Добавка к цементу по п.1, в которой частицы и указанная добавка содержатся в виде в основном однородной смеси.

5. Цементный продукт, включающий частицы цемента и добавку к цементу по п.1.

6. Цементный продукт по п.5, в котором частицы цемента образуют цементную матрицу, содержащую пустоты между частицами и поры, и в котором добавка к цементу занимает пустоты между частицами и поры.

7. Способ получения добавки к цементу по п.1, включающий стадии: раздельного синтеза каждой из частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц; перемешивания частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц при регулируемых температуре и рН с образованием непрерывной поверхностно-активной системы, содержащей частицы и наночастицы; и объединение частиц SiO₂-СаО-Аl₂О₃ и наночастиц с общим растворителем с образованием в основном однородной смеси частиц и наночастиц.

8. Способ по п.7, в котором стадия синтеза включает синтез предшественников частиц SiO₂-CaO-Al₂O₃ и наночастиц и термическую обработку предшественников с получением частиц и наночастиц.