RU2796718C1 - Расширяемая цементная композиция и способ ее применения для цементирования подземной скважины с обсадной трубой - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к строительству и ремонту нефтяных и газовых скважин, в частности к расширяемой цементной композиции и способу цементирования подземной скважины с обсадной трубой. Технический результат заключается в обеспечении увеличения линейного расширения расширяемого цементного раствора при затвердевании, увеличении прочности на сжатие и уменьшении модуля Юнга цементного камня, образующегося при затвердевании из расширяемого цементного раствора. Расширяемая цементная композиция содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное, при этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа. Также заявлен расширяемый цементный раствор и способ цементирования подземной скважины с обсадной трубой. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных и газовых скважин, в частности к расширяемой цементной композиции и способу цементирования подземной скважины с обсадной трубой.

Уровень техники

[0002] Одной из основных проблем в области цементирования (крепления) нефтяных и газовых скважин являются межколонные перетоки пластовых флюидов (нефть, газ) в водоносные горизонты или на поверхность, что приводит к загрязнению атмосферы. Эта проблема возникает в результате неплотного прилегания цементного камня к обсадной колонне или породе. Традиционно проблему неплотного прилегания цементного камня решают путем использования твердофазных расширяющих добавок, этот способ решения указанной проблемы позволяет вызвать расширение цементного раствора при его затвердевании и, соответственно, улучшить прилегание образовавшегося цементного камня к колонне или породе. Однако использование исключительно твердофазной расширяющей добавки в составе цементного раствора приводит к уменьшению прочности цементного камня.

[0003] В настоящее время большинство скважин строят с применением многостадийного гидравлического разрыва пласта (МГРП), который заключается в создании в обсадной колонне и прилегающей к ней формации давления, являющегося причиной растрескивания продуктивного пласта с целью увеличения его эффективной проводимости для углеводородов. Таким образом, цементный камень с уменьшенной прочностью при использовании метода МГРП не выдержит высокого давления, в результате чего по сформировавшимся трещинам в цементном камне пластовые флюиды будут выходить в водоносные горизонты или на поверхность. Для увеличения устойчивости цементного камня к возникновению трещин и улучшения его прилегания к обсадной колонне или породе при изготовлении цементного раствора используют сочетание твердофазной расширяющей и полимерной добавок.

[0004] В патенте RU2441897C1 (опубл. 10.02.2012; МПК: C09K 8/467) описано изобретение, относящееся к нефтяной и газовой промышленностям, в частности к строительству нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано при изготовлении тампонажных растворов, предназначенных для крепления скважин. Технический результат аналога заключается в увеличении площади полного контакта затвердевшего тампонажного раствора с породой и обсадной колонной. В аналоге тампонажный раствор содержит цемент, гидроксиэтилцеллюлозу, пластификатор, пеногаситель и дополнительно синтетические волокна диаметром 0.001 – 0.1 мм, длиной 1 – 20 мм, расширяющую добавку при следующем соотношении, мас.ч: цемент – 100; гидроксиэтилцеллюлоза – 0.2 – 0.4; пластификатор – 0.1 – 0.5; пеногаситель – 0.2; синтетические волокна – 0.1 – 4; расширяющая добавка – 0.1 – 20; вода – 49 – 51. Первым недостатком аналога является низкая устойчивость к возникновению трещин образующегося цементного камня из указанного тампонажного раствора, поскольку прочность на изгиб указанного камня изменяется от 4 МПа до 6 МПа, а прочность на сжатие – от 8 МПа до 14 МПа. Следующим недостатком аналога является использование твердофазной расширяющей добавки только оксидного типа, это ограничивает температурный диапазон от 0°C до 120°C, в котором используют указанный тампонажный раствор для цементирования скважин. Другим недостатком аналога является использование в составе тампонажного раствора синтетических волокон, армирование указанного тампонажного раствора волокнами не повышает пластичность и эластичность образующегося цементного камня. Следующим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе тампонажного раствора в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик цементного камня, полученного из указанного тампонажного раствора.

[0005] В патенте RU2726754C1 (опубл. 15.07.2020; МПК: C09K 8/467, E21B 33/138, C04B 28/04, C04B 18/04 C04B 14/04, C04B 24/24, C04B 111/20) описано изобретение, относящееся к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву многолетних мерзлых пород. Технический результат аналога заключается в повышении прочностных и адгезионных свойств образующегося цементного раствора при одновременном обеспечении его прокачиваемости путем введения реагента пластификатора и сокращения количества свободной воды в составе. В аналоге описан тампонажный раствор, содержащий тампонажный портландцемент ПЦТ-1-50, расширяющий компонент и 4%-ый водный раствор хлорида кальция, отличающийся тем, что дополнительно содержит пластификатор поли-N-винилпирролидон «Импирон» и микросилику, а в качестве расширяющего компонента используют оксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас. %: микросилика 8 – 12, оксид кальция 5 – 8, поли-N-винилпирролидон 0.4 – 0.6, тампонажный портландцемент (ПЦТ-1-50) – остальное, а содержание 4%-ного водного раствора хлорида кальция в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0.5 до 0.55. Первым недостатком аналога является низкая устойчивость к возникновению трещин образующегося цементного камня из указанного тампонажного раствора, поскольку указанный раствор обеспечивает прочность цементного камня до 7 МПа через 14 суток. Следующим недостатком аналога является использование в составе тампонажного раствора твердофазной расширяющей добавки исключительно оксидного типа, что сужает температурный диапазон, в котором используют указанный тампонажный раствор при цементировании скважин. Отличием аналога является использование в составе тампонажного раствора только портландцемента марки ПЦТ-1-50, что ограничивает область применения указанного раствора. Другим недостатком аналога является линейное расширение тампонажного раствора при затвердевании, которое достигает максимум 0.35%, это приводит к неплотному прилеганию цементного камня, образующегося из указанного тампонажного раствора, к обсадной колонне или породе. Следующим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе тампонажного раствора в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик образующегося цементного камня.

[0006] В заявке US20210017083A1 (опубл. 21.01.2021; МПК: C04B 28/26, C04B 28/02, C04B 28/18, C04B 7/02, C09K 8/487) описано изобретение, относящееся к цементным композициям, содержащим гидравлический цемент, синтетический филлосиликат, кремнеземную муку и цементные добавки, приготовленным из них цементным растворам, подходящим для цементирования нефтяных и газовых скважин, и способам получения отвержденных скважинных цементов. Технический результат аналога заключается в улучшении механической прочности, реологии, проницаемости и однородности плотности скважинного цемента, что делает его пригодным для цементирования нефтяных и газовых скважин в условиях высокого давления и высокой температуры (ВДТ). В аналоге описаны цементные композиции, содержащие гидравлический цемент, синтетический филлосиликат (например, Laponite®) и кремнеземную муку. В аналоге цементные композиции могут необязательно включать другие добавки такие, как вспенивающий агент, пеногаситель и регулятор водоотдачи. Также указаны цементные растворы и скважинные цементы, изготовленные из них. В аналоге описан способ цементирования участка ствола скважины, включающий: введение влажного цементного раствора в часть ствола скважины; и обеспечение затвердевания влажного цементного раствора, в результате чего образуется скважинный цемент. Первым недостатком аналога является использование в составе цементной композиции синтетического филлосиликата, который представляет собой жесткие частицы, применение указанного компонента является причиной низкой устойчивости к возникновению трещин указанного цементного камня. Следующим недостатком аналога является использование в составе цементной композиции сочетания таких компонентов, как гидравлического цемента, синтетического филлосиликата (например, Laponite®) и кремнеземной муки, что ограничивает область применения указанной цементной композиции. Указанный цементный раствор используют при забойном давлении от 1 МПа до 40 МПа, в то время как заявляемый расширяемый цементный раствор применяют при забойном давлении от 1 МПа до 100 МПа. Другим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе цементной композиции в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик цементного камня, изготовленного из указанной композиции.

[0007] В патенте US11187057B2 (опубл. 30.11.2021; МПК: E21B 33/14, C04B 28/04, C09K 8/467, C04B 28/18, C04B 28/34) описано изобретение, относящееся к композициям и способам обработки подземных пластов, в частности к композициям и способам цементирования подземных скважин. Технический результат аналога заключается в герметизации микрозазоров, возникающих из-за присутствия не смешивающихся с водой жидкостей на поверхностях обсадной колонны, стенках ствола скважины или на обеих поверхностях. В аналоге описан способ цементирования обсадной колонны, по которому производят бурение подземной скважины с не смешивающейся с водой жидкостью; вводят обсадную колонну в подземную скважину, тем самым создавая кольцевое пространство, в котором внешняя поверхность обсадной колонны и стенка ствола скважины покрыты не смешивающейся с водой текучей средой; изготавливают композицию, содержащую воду, неорганический цемент, вспенивающий агент, присутствующий в концентрации от 0,5% до 15% по массе неорганического цемента, и множество частиц, которые увеличиваются в размере при контакте с не смешивающейся с водой жидкостью, при этом композиция не является эмульсией; размещают состав в затрубном пространстве, после чего остаточная часть не смешивающейся с водой жидкости остается на участках внешней поверхности обсадной колонны и стенки скважины; а также обеспечивают увеличение в размере множества частиц при контакте с остаточной частью не смешивающейся с водой жидкости и, таким образом, производят герметизацию скважин. Первым недостатком аналога является применение сочетания вспенивающего агента и множества частиц, которые увеличиваются в размере при контакте с не смешивающейся с водой жидкостью, это приводит к снижению прочности указанного цементного камня. Следующим недостатком аналога является расширение цементного раствора при затвердевании максимум до 5%, это приводит к неплотному прилеганию образующегося цементного камня к обсадной колонне или породе. Другим недостатком аналога является использование вспенивающего агента, который выполняет роль твердофазной расширяющей добавки оксидного типа. Использование в составе указанной композиции твердофазной расширяющей добавки исключительно оксидного типа сужает температурный диапазон, в котором используют указанный цементный камень. Следующим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе цементной композиции в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик цементного камня.

[0008] В заявке WO2017125776A1 (опубл. 27.07.2017; МПК: C09K 8/467, C04B 28/02) описано изобретение, относящееся к системам и способам цементирования подземных скважин и поддержания в них зональной изоляции. Технический результат аналога заключается в улучшении акустической связи между цементом и обсадной колонной и обеспечении расширения цементного раствора при затвердевании от 0,1% до 3%. В аналоге описан способ цементирования подземной скважины с образованием расширенного отвержденного цемента, акустически связанного с обсадной колонной, по которому изготавливают цементный раствор, включающий воду, гидравлический цемент и количество расширяющего агента, подходящее для обеспечения расширения цементного раствора от 0,1% до 3% при затвердевании в расширенный затвердевший цемент, как определено в соответствии с API 10B-5; размещают суспензию в кольцевом пространстве между пластом и обсадной колонной в призабойную зону скважины; и предоставляют цементному раствору возможность затвердевать и расширяться в количестве, достаточном для образования расширенного отвержденного цемента, акустически связанного с обсадной трубой. Также в аналоге раскрыта система для цементирования подземной скважины в кольцевом пространстве между обсадной трубой, расположенной в стволе скважины, и пластом, включающая этап получения цементного раствора, содержащего гидравлический цемент, воду и количество расширяющего агента, подходящее для получения от 0,1% до 3% расширения цементного раствора при затвердевании в расширенный затвердевший цемент, как определено в соответствии с API 10B-5; и насосную систему для размещения ступени пульпы в кольцевом пространстве. Первым недостатком аналога является обеспечение высокого показателя модуля Юнга от 1 ГПа до 10 ГПа образующегося цементного камня. Уменьшение модуля Юнга, например, до 5 – 8 ГПа в случае заявляемого расширяемого цементного раствора приводит к повышению эластичности и пластичности цементного камня, что увеличивает его устойчивость к возникновению трещин. Следующим недостатком аналога является расширение цементного раствора при его затвердевании максимум до 3%, это приводит к неплотному прилеганию образующегося цементного камня к обсадной колонне или породе. Другим недостатком аналога является использование в составе вспенивающего агента, который выполняет роль твердофазной расширяющей добавки только оксидного типа, это сужает температурный диапазон, в котором используют указанную цементную композицию. Следующим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе цементной композиции в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик цементного камня.

[0009] В патенте US7441600B2 (опубл. 28.10.2008; МПК: E21B 33/13, C04B 28/02, C04B 28/34) описано изобретение, относящееся к пеноцементным работам в подземных зонах и, более конкретно, к композициям вспененного скважинного цемента, имеющим улучшенные механические свойства, и к способам применения этих композиций при цементировании подземных скважин. Технический результат аналога заключается в улучшении механических свойств цементного камня таких, как эластичность и прочность на растяжение. В аналоге описан способ цементирования ствола скважины, включающий получение цементной композиции, состоящей в основном из гидравлического цемента, воды, углеродных волокон, причем углеродные волокна имеют среднюю длину около 500 микрон или менее, замедлителя и расширяющей добавки, выбранной из группы, состоящей из одного или нескольких газов, алюминия, гипса и оксида магния; размещение цементной композиции в стволе скважины и обеспечение затвердевания цементной композиции в нем. Первым недостатком аналога является обеспечение прочности на растяжение указанного цементного камня от 0,8 МПа до 3 МПа, это приводит к его низкой трещиноустойчивости. Другим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе цементной смеси в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик цементного камня.

[0010] В патенте RU 2597906C1 (опубл. 20.09.2016; МПК: C09K 8/467, E21B 33/138, C04B 28/22, C04B 28/02, C04B 14/04, C04B 111/20) описано изобретение, относящееся к операциям цементирования и, более конкретно, в некоторых формах осуществления к отверждаемым композициям, содержащим волластонит и пемзу, и к способам их применения в операциях цементирования. Технический результат аналога заключается в повышении предела прочности при сжатии отверждаемой цементной композиции. В аналоге описана отверждаемая композиция, включающая волластонит; пемзу; известь; и воду; где волластонит встречается в большом количестве от 25% до 75% от общей массы волластонита и пемзы; пемза встречается в этой композиции в количестве от 25% до 75% от общей массы волластонита и пемзы. В аналоге описан способ цементирования, включающий получение отверждаемой композиции, содержащей волластонит; пемзу; известь; и воду; где волластонит присутствует в количественном диапазоне от 25% до 75% от общей массы волластонита и пемзы; и пемза присутствует в количественном диапазоне от 25% до 75% от общей массы волластонита и пемзы; и предоставление возможности указанной отверждаемой композиции затвердеть. Недостатком аналога является низкая устойчивость к возникновению трещин цементного камня, поскольку его предел прочности изменяется от 1,2 МПа до 3,8 МПа. Другим недостатком аналога является отсутствие информации о расчете количества компонентов в составе цементной композиции в зависимости от параметров скважины, это приводит к ухудшению физико-механических характеристик указанного цементного камня.

Сущность изобретения

[0011] Задачей настоящего изобретения является разработка состава расширяемой цементной композиции, ее раствора и способа цементирования подземной скважины с обсадной трубой, расположенной внутри ствола скважины, при использовании расширяемого цементного раствора, обеспечивающие увеличение устойчивости к возникновению трещин и улучшение прилегания цементного камня, образующегося из расширяемого цементного раствора, к обсадной колонне или породе.

[0012] Указанная задача достигается благодаря такому техническому результату, как обеспечение увеличения линейного расширения расширяемого цементного раствора при затвердевании, увеличения прочности на сжатие и уменьшения модуля Юнга цементного камня, образующегося при затвердевании из расширяемого цементного раствора. Указанная задача достигается в том числе, но не ограничиваясь, благодаря:

[0013] наличию в составе расширяемой цементной композиции твердофазной расширяющей добавки оксидного и/или компрессионного типа;

[0014] наличию в составе расширяемой цементной композиции полимерной добавки;

[0015] расчету количества компонентов расширяемой цементной композиции в зависимости от статической температуры на забое;

[0016] соотношению воды и расширяемой цементной композиции, равному 0,35 – 2;

[0017] использованию в призабойной зоне скважины химического буфера перед размещением расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом.

[0018] Более полно, технический результат достигается описанной расширяемой цементной композицией, содержащей твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное. При этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа.

[0019] Сочетание твердофазной расширяющей добавки оксидного и/или компрессионного типа, полимерной добавки, сухого цемента обеспечивает увеличение устойчивости к возникновению трещин и улучшение прилегания цементного камня, полученного из расширяемой цементной композиции, к обсадной колонне или породе. Наличие в составе расширяемой цементной композиции твердофазной расширяющей добавки оксидного и/или компрессионного типа в количестве 0,1 – 30% по весу сухого цемента обеспечивает увеличение линейного расширения цементного раствора при затвердевании. Полимерная добавка в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента позволяет регулировать реологические свойства цементного камня, образующегося из расширяемой цементной композиции, а именно: уменьшить модуль Юнга цементного камня, повысить его прочность на сжатие.

[0020] При этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа. Описанная зависимость выбора соотношения твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов позволяет получить цементный камень с улучшенными физико-механическими характеристиками.

[0021] Расширяемая цементная композиция может содержать твердофазную расширяющую добавку оксидного типа на основе оксидов щелочных металлов, это обеспечивает увеличение линейного расширения цементного раствора при затвердевании при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C.

[0022] Расширяемая цементная композиция может содержать твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа на основе инкапсулированного порошка алюминия, магния или цинка, это обеспечивает увеличение линейного расширения цементного раствора при затвердевании при статической температуре на забое более 50°C.

[0023] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут уменьшать количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа на 1 – 3% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества твердофазной расширяющей добавки оксидного типа позволяет регулировать линейное расширение цементного раствора при затвердевании при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C.

[0024] При статической температуре на забое более 50°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут увеличивать количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа на 0.1 – 0.5% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа позволяет регулировать линейное расширение цементного раствора при затвердевании при статической температуре на забое более 50°C.

[0025] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C могут использовать сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 – 5% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента; при статической температуре на забое более 61°C могут использовать сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 – 2% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества и вида полимерной добавки позволяет регулировать реологические свойства цементного камня, а именно: модуль Юнга, прочность на сжатие.

[0026] Расширяемая цементная композиция может содержать водорастворимую полимерную добавку на основе полиакриламида, карбоксиэтилцеллюлозы, оксиэтилцеллюлозы, стиромалеата натрия, поликарбоксилата и водонерастворимую полимерную добавку на основе бутадиен-стирольного каучука, бутадиен-нитрильного каучука. Это позволяет изготавливать эластичный и пластичный цементный камень.

[0027] Расширяемая цементная композиция дополнительно при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C может содержать ускоритель схватывания в количестве 0 – 4% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°C может содержать замедлитель схватывания в количестве 0 – 3% по весу сухого цемента. Расширяемая цементная композиция может содержать ускоритель схватывания на основе солей кальция и замедлитель схватывания на основе органических, неорганических кислот и их солей. Ускоритель и замедлитель схватывания позволяют регулировать скорость затвердевания при расширении цементного раствора.

[0028] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут уменьшать количество ускорителя схватывания на 0.5 – 1.5% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут увеличивать количество замедлителя схватывания на 0,01 – 0,06% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества ускорителя и замедлителя схватывания позволяет регулировать скорость затвердевания расширяемого цементного раствора.

[0029] Сухой цемент дополнительно может содержать понизитель фильтрации на основе полиакриламида, гидроксиэтилцеллюлозы в количестве 0 – 2% по весу сухого цемента, стабилизатор термической устойчивости на основе оксидов переходных металлов в количестве 1 – 40% по весу сухого цемента, наполнитель на основе оксидов кальция, алюминия, магния, кремния в количестве 1 – 30% по весу сухого цемента. Понизитель фильтрации позволяет снижать водоотдачу расширяемого цементного раствора, стабилизатор термической устойчивости предотвращает разрушение образующегося цементного камня из расширяемого цементного раствора при высоких температурах (выше 115°C), наполнитель на основе оксидов переходных металлов повышает прочность на сжатие цементного камня.

[0030] Расширяемый цементный раствор может содержать воду и расширяемую цементную композицию, причем соотношение воды и расширяемой цементной композиции может быть равно 0,35 – 2. Добавление воды в расширяемую цементную композицию обеспечивает возникновение химической реакции в цементном растворе, благодаря которой происходит его расширение и затвердевание для получения эластичного цементного камня. Указанное соотношение воды и расширяемой цементной композиции позволяет получить прокачиваемый путем насосов высокого давления раствор для его размещения в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины.

[0031] Технический результат также достигается способом цементирования подземной скважины с обсадной трубой, расположенной внутри ствола скважины, включающим подбор компонентов расширяемого цементного раствора, содержащего твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент, воду, таким образом, что расширяемая цементная композиция содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное, а соотношение воды и расширяемой цементной композиции равно 0,35 – 2, по по которому количество твердофазной расширяющей добавки выбирают в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C при увеличении температуры снижают количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа, а при статической температуре на забое более 50°C повышают количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа; приготовление расширяемого цементного раствора; размещение расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины; обеспечение затвердевания и расширения от 0,05% до 20% цементного раствора.

[0032] Подбор компонентов расширяемого цементного раствора позволяет регулировать физико-механические свойства цементного камня, образующегося в результате затвердевания и расширения цементного раствора, в зависимости от статической температуры на забое. Приготовление расширяемого цементного раствора обеспечивает получение прокачиваемой насосами высокого давления суспензии. Размещение расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины и обеспечение затвердевания и расширения от 0.05% до 20% цементного раствора позволяет закрепить обсадную колонну на стенке ствола скважины и исключить попадание избыточных флюидов (нефть, газ) в ствол скважины.

[0033] Могут производить подбор компонентов расширяемого цементного раствора, по которому дополнительно могут использовать ускоритель, замедлитель схватывания в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C могут использовать ускоритель схватывания, а при статической температуре на забое более 61°C могут использовать замедлитель схватывания. Это позволяет регулировать скорость расширения и затвердевания цементного раствора.

[0034] Приготовление расширяемого цементного раствора могут производить следующим образом: могут изготавливать смесь расширяемой цементной композиции путем ее порционного перемешивания, это позволяет достичь равномерного распределения компонентов композиции по всему объему смеси; далее, могут смешивать расширяемую цементную композицию с водой, это позволяет обеспечить расширение и затвердевание раствора для получения цементного камня.

[0035] Могут порционное перемешивание смеси расширяемой цементной композиции осуществлять пневматическим или механическим способом для получения гомогенной смеси.

[0036] Могут смешивать расширяемую цементную композицию с водой пневматическим или шнековым способом для получения гомогенного расширяемого цементного раствора.

[0037] Могут перед размещением расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом закачивать в призабойную зону скважины химический буфер, содержащий поверхностно-активные вещества. Это позволяет очистить стенки скважины и обсадной колонны от бурового раствора для более плотного прилегания цементного камня к ним.

Подробное описание

[0038] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящего изобретения.

[0039] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[0040] В настоящее время концентрируется внимание на разработке состава цементной композиции, ее раствора и способа цементирования подземной скважины для добычи нефти и газа при его использовании, которые одновременно обеспечивают высокую устойчивость образующегося цементного камня из цементного раствора к возникновению трещин и его плотное прилегание к обсадной колонне скважины или породе. Достичь перечисленных характеристик цементного камня возможно при использовании различных добавок таких, как добавок, предотвращающих снижение прочности цемента; ускорителей схватывания; замедлителей схватывания; утяжелителей; понизителей плотности цемента; твердофазных расширяющих добавок оксидного, компрессионного типов; добавок, улучшающих механические свойства; пенообразующих добавок и т. д.

[0041] Понятие «расширяемой цементной композиции» подразумевает сухую смесь твердофазной расширяющей добавки оксидного и/или компрессионного типа, сухого цемента, полимерной добавки. Понятие «расширяемого цементного раствора» означает смесь расширяемой цементной композиции и воды. Понятие «цементного камня» предполагает расширенный и затвердевший цементный раствор. Понятие «перемешивание, смешивание» подразумевает процесс объединения компонентов композиции, раствора для образования смеси с равномерно распределенными компонентами в ней. Понятие «физико-механические характеристики, свойства цементного камня» предполагает такие характеристики цементного камня, как эластичность, пластичность, прочность на сжатие, модуль Юнга и т. д. Понятие «статическая температура на забое» означает статическое состояние на забое, при котором не происходит циркуляция флюидов, соответственно, не охлаждается забой скважины. Понятие «забойное давление» подразумевает давление на забое скважины, которое измеряется во время установившейся работы скважины.

[0042] Описана расширяемая цементная композиция, содержащая твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0.1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное. При этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа.

[0043] Сочетание указанных компонентов расширяемой цементной композиции обеспечивает увеличение устойчивости к возникновению трещин цементного камня, полученного из расширяемой цементной композиции, что решает проблему растрескивания цементного камня при проведении МГРП, а также обеспечивает улучшение его прилегания к обсадной колонне или породе. Наличие в составе расширяемой цементной композиции твердофазной расширяющей добавки оксидного и/или компрессионного типа в количестве 0.1 – 30% по весу сухого цемента обеспечивает линейное расширение от 0.05% до 20% расширяемого цементного раствора при затвердевании. Полимерная добавка в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента позволяет регулировать реологические свойства цементного камня: уменьшить модуль Юнга до 5 – 8 ГПа цементного камня, улучшая его пластичность и эластичность; повысить прочность на сжатие цементного камня до 30 – 40 МПа через 72 часа после затвердевания расширяемого цементного раствора. В качестве сухого цемента используют цемент любой марки, им может быть портландцемент марки ПЦТ-l-50, ПЦТ-ll-100 и т.д.

[0044] При этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа. Описанная зависимость выбора типа твердофазной расширяющей добавки позволяет регулировать физико-механические характеристики цементного камня в зависимости от статической температуры на забое, обеспечивая его плотное прилегание к обсадной колонне или породе и увеличение устойчивости к возникновению трещин при статической температуре на забое от 5°C и выше, забойном давлении от 1 МПа и выше. Предпочтительнее описанную расширяемую цементную композицию применять при статической температуре на забое от 5°C до 250°C и забойном давлении от 1 МПа до 100 МПа.

[0045] Расширяемая цементная композиция может содержать твердофазную расширяющую добавку оксидного типа на основе оксидов щелочных металлов. Твердофазная расширяющая добавка оксидного типа в составе цементного раствора вступает в химическую реакцию гидратации с его другими компонентами, образуя кристаллические продукты. Рост кристаллов этих веществ приводит к расширению затвердевающего цементного раствора, таким образом улучшая прилегание образующегося цементного камня к обсадной колонне или породе. Предпочтительнее использовать в качестве щелочных металлов те, для которых реакция гидратации происходит с увеличением объема смеси, ими могут быть, например, кальций или магний.

[0046] Расширяемая цементная композиция может содержать твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа на основе инкапсулированного или неинкапсулированного порошка металлов. Твердофазная расширяющая добавка компрессионного типа в составе цементного раствора вступает в химическую реакцию с другими его компонентами, образуя газообразные продукты. В ходе реакции происходит увеличение количества газа, что вызывает расширение пузырьков газа, обеспечивая расширение цементного раствора при затвердевании, улучшая, соответственно, прилегание к обсадной колонне или породе образующегося цементного камня. Предпочтительнее использовать расширяющую добавку компрессионного типа на основе инкапсулированного порошка металлов, например, алюминия, магния или цинка. Использование инкапсулированного порошка металлов предотвращает преждевременное начало химической реакции в процессе получения расширяемого цементного раствора до его размещения в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины. Инкапсуляция – это размещение порошка металлов в оболочке на основе труднорастворимых в воде органических кислот (солей высших кислот, например, натриевые, калиевые соли высших жирных кислот) для исключения влияния на него внешней среды.

[0047] Подбор количества и типа компонентов расширяемой цементной композиции может зависеть от изменения статической температуры на забое на 5 – 10°C, 10 – 20°C, 20 – 30°C. Ниже описана предпочтительная методология подбора количества и типа компонентов расширяемой цементной композиции в зависимости от изменения статической температуры на забое на 10 – 20°C. Специалистам в данной области техники очевидно, что возможно различным образом варьировать диапазон изменения статической температуры на забое для определения количества компонентов, содержащихся в составе композиции.

[0048] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут уменьшать количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа на 1 – 3% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества твердофазной расширяющей добавки оксидного типа позволяет получить линейное расширение цементного раствора при затвердевании от 0.05% до 20% при статической температуре на забое от 5°C до 65°C.

[0049] При статической температуре на забое более 50°C при каждом увеличении температуры на 10 – 20°C могут увеличивать количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа на 0.1 – 0.5% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа позволяет получить линейное расширение цементного раствора при затвердевании от 0.05% до 20% при статической температуре на забое более 50°C.

[0050] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C могут использовать сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 – 5% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента; при статической температуре на забое более 61°Ϲ могут использовать сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 – 2% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 – 50% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества и вида полимерной добавки позволяет получить при затвердевании расширяемого цементного раствора цементный камень, который характеризуется модулем Юнга от 5 ГПа до 8 ГПа, прочностью на сжатие от 30 МПа до 40 МПа через 72 часа после затвердения раствора, что обеспечивает высокую устойчивость к возникновению трещин цементного камня при статической температуре на забое от 5°Ϲ и выше, забойном давлении от 1 МПа и выше. Расширяемая цементная композиция может содержать водорастворимую полимерную добавку на основе полиакриламида, карбоксиэтилцеллюлозы, оксиэтилцеллюлозы, стиромалеата натрия, поликарбоксилата и водонерастворимую полимерную добавку на основе бутадиен-стирольного каучука, бутадиен-нитрильного каучука. В качестве полимерной добавки могут использовать добавку марки ЭластоЦем.

[0051] Дополнительно расширяемая цементная композиция может содержать ускоритель схватывания, замедлитель схватывания. Расширяемая цементная композиция дополнительно при статической температуре на забое в диапазоне от 5°Ϲ до 60°Ϲ может содержать ускоритель схватывания в количестве 0 – 4% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°Ϲ может содержать замедлитель схватывания в количестве 0 – 3% по весу сухого цемента. Расширяемая цементная композиция может содержать ускоритель схватывания на основе солей кальция и замедлитель схватывания на основе органических, неорганических кислот и их солей. Использование ускорителя, замедлителя схватывания обусловлено тем, что изменение забойного давления и, соответственно, статической температуры на забое приводит к изменению скорости химической реакции, в которую вступает твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа при изготовлении расширяемого цементного раствора. Их применение приводит к регулированию скорости затвердевания расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойной зоне скважины в зависимости от забойного давления и статической температуры на забое.

[0052] При статической температуре на забое в диапазоне от 5°Ϲ до 60°Ϲ при каждом увеличении температуры на 10 – 20°Ϲ могут уменьшать количество ускорителя схватывания на 0.5 – 1.5% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°Ϲ при каждом увеличении температуры на 10 – 20°Ϲ могут увеличивать количество замедлителя схватывания на 0.01 – 0.06% по весу сухого цемента. Описанный подбор количества ускорителя и замедлителя схватывания позволяет регулировать скорость затвердевания расширяемого цементного раствора при статической температуре на забое от 5°Ϲ и выше, забойном давлении от 1 МПа и выше.

[0053] Сухой цемент дополнительно может содержать понизитель фильтрации на основе полиакриламида, гидроксиэтилцеллюлозы в количестве 0 – 2% по весу сухого цемента, стабилизатор термической устойчивости на основе оксидов переходных металлов в количестве 1 – 40% по весу сухого цемента, наполнитель на основе оксидов кальция, алюминия, магния, кремния в количестве 1 – 30% по весу сухого цемента. Понизитель фильтрации используют при температуре от 5°Ϲ и выше, стабилизатор термической устойчивости применяют при температуре от 115°Ϲ и выше, наполнитель на основе оксидов переходных металлов используют при температуре от 5°Ϲ и выше. Понизитель фильтрации позволяет снижать водоотдачу расширяемого цементного раствора, стабилизатор термической устойчивости предотвращает разрушение образующегося цементного камня из расширяемого цементного раствора при высоких температурах (выше 115°Ϲ), наполнитель на основе оксидов переходных металлов повышает прочность на сжатие цементного камня.

[0054] Расширяемый цементный раствор может содержать воду и расширяемую цементную композицию, причем соотношение воды и расширяемой цементной композиции может быть равно 0.1 – 0.3, 0.35 – 2, 2.1 – 5. Вода может включать пресную воду, соленую воду, морскую воду или любую их комбинацию. То есть вода может быть использована из любого источника, при условии, что она не содержит избыток соединений, которые могут нежелательным образом влиять на другие компоненты в расширяемом цементном растворе. Добавление воды в расширяемую цементную композицию обеспечивает возникновение химической реакции в растворе, благодаря которой происходит его расширение и затвердевание для получения цементного камня. Предпочтительно, чтобы соотношение воды и расширяемой цементной композиции было равным 0.35 – 2, это обеспечивает образование прокачиваемого посредством насосов высокого давления раствора для цементирования скважин и получение при затвердевании расширяемого цементного раствора цементного камня, имеющего высокую устойчивость к возникновению трещин при статической температуре на забое от 5°Ϲ и выше, забойном давлении от 1 МПа и выше.

[0055] Для лучшего понимания настоящего изобретения в представленных ниже примерах и Таблице 1 описаны конкретные соотношения компонентов расширяемого цементного раствора, которые иллюстрируют, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

[0056] Пример 1. Для приготовления расширяемого цементного раствора и лабораторных исследований свойств затвердевшего раствора при статической температуре на забое 5°Ϲ используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, сочетание водорастворимой и водонерастворимой полимерных добавок, сухой цемент, воду, дополнительно применяют ускоритель схватывания. Соотношение количества компонентов расширяемой цементной композиции по весу сухого цемента и соотношение количества расширяемой цементной композиции и воды указаны в Таблице 1.

[0057] Пример 2. Для приготовления расширяемого цементного раствора и лабораторных исследований свойств затвердевшего раствора при статической температуре на забое 65°Ϲ используют сочетание твердофазной расширяющей добавки оксидного и компрессионного типов, сочетание водорастворимой и водонерастворимой полимерных добавок, сухой цемент, воду, дополнительно применяют замедлитель схватывания. Соотношение количества компонентов расширяемой цементной композиции по весу сухого цемента и соотношение количества расширяемой цементной композиции и воды указаны в Таблице 1.

[0058] Пример 3. Для приготовления расширяемого цементного раствора и лабораторных исследований свойств затвердевшего раствора при статической температуре на забое 115°Ϲ используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа, сочетание водорастворимой и водонерастворимой полимерных добавок, сухой цемент, воду, дополнительно применяют замедлитель схватывания. Соотношение количества компонентов расширяемой цементной композиции по весу сухого цемента и соотношение количества расширяемой цементной композиции и воды указаны в Таблице 1.

[0059] Пример 4. Для приготовления расширяемого цементного раствора и лабораторных исследований свойств затвердевшего раствора при статической температуре на забое 250°Ϲ используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа, сочетание водорастворимой и водонерастворимой полимерных добавок, сухой цемент, воду, дополнительно применяют замедлитель схватывания. Соотношение количества компонентов расширяемой цементной композиции по весу сухого цемента и соотношение количества расширяемой цементной композиции и воды указаны в Таблице 1.

Таблица 1.

Состав расширяемой цементной композиции и ее раствора

Состав расширяемой цементной композиции, %									Состав расширяемого цементного раствора, %
№	СТ, °Ϲ	ТРД		СЦ	ПД		УС	ЗС	РЦК	Вода
		ОТ	КТ		ВР	ВНР
1	5	10	0	100	2	15	4	0	70	30
2	65	2	0.2	100	2	15	0	0.2	71	29
3	115	0	0.4	100	1.5	15	0	0.4	70	30
4	250	0	0.8	100	1	20	0	0.8	68	32

Примечание:

СТ – статическая температура на забое; ТРД – твердофазная расширяющая добавка; ОТ – оксидный тип; КТ – компрессионный тип; СЦ – сухой цемент; ПД – полимерная добавка; ВР – водорастворимая полимерная добавка; ВНР – водонерастворимая полимерная добавка; УС – ускоритель схватывания; ЗС – замедлитель схватывания; РЦК – расширяемая цементная композиция.

[0060] Способ цементирования подземной скважины с обсадной трубой, расположенной внутри ствола скважины, включает подбор компонентов расширяемого цементного раствора, содержащего твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент, воду, таким образом, что расширяемая цементная композиция содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное, а соотношение воды и расширяемой цементной композиции равно 0,35 – 2, по по которому количество твердофазной расширяющей добавки выбирают в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°Ϲ до 65°Ϲ при увеличении температуры снижают количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа, а при статической температуре на забое более 50°Ϲ повышают количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа; приготовление расширяемого цементного раствора; размещение расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины; обеспечение затвердевания и расширения от 0,05% до 20% цементного раствора.

[0061] По первому этапу способа цементирования подземной скважины производят подбор компонентов расширяемого цементного раствора, содержащего твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент, воду, таким образом, что расширяемая цементная композиция содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %: твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 – 30; полимерная добавка 10 – 50; сухой цемент – остальное, а соотношение воды и расширяемой цементной композиции равно 0,35 – 2, по которому количество твердофазной расширяющей добавки выбирают в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°Ϲ до 65°Ϲ при увеличении температуры снижают количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа, а при статической температуре на забое более 50°Ϲ повышают количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа. Описанный этап способа цементирования позволяет регулировать физико-механические характеристики расширяемого цементного раствора в зависимости от статической температуры на забое для обеспечения плотного прилегания цементного камня, полученного из расширяемого цементного раствора, к стволу скважины или породе и для повышения его устойчивости к возникновению трещин при использовании метода МГРП.

[0062] Далее в способе производят приготовление расширяемого цементного раствора, это обеспечивает получение гомогенного прокачиваемого насосами высокого давления раствора, используемого для дальнейшего этапа цементирования подземной скважины с обсадной трубой, который заключается в размещении расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины.

[0063] После, обеспечивают затвердевание и расширение от 0.05% до 20% размещенного расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойной зоне скважины, это позволяет закрепить обсадную колонну на стенке ствола скважины и исключить попадание избыточных флюидов (нефть, газ) в ствол скважины.

[0064] Могут производить подбор компонентов расширяемого цементного раствора, по которому дополнительно могут использовать ускоритель, замедлитель схватывания в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°Ϲ до 60°Ϲ могут использовать ускоритель схватывания, а при статической температуре на забое более 61°Ϲ могут использовать замедлитель схватывания. Ускоритель и замедлитель схватывания позволяет регулировать скорость затвердевания расширяемого цементного раствора при статической температуре на забое от 5°Ϲ и выше, забойном давлении от 1 МПа и выше.

[0065] Приготовление расширяемого цементного раствора могут производить путем перемешивания компонентов в любом порядке. Предпочтительнее приготовление расширяемого цементного раствора производить следующим образом: изготавливать смесь расширяемой цементной композиции путем ее порционного перемешивания, это позволяет достичь гомогенности сухой смеси; затем смешивать расширяемую цементную композицию с водой в цементировочном агрегате или осреднительной емкости, это позволяет обеспечить возникновение химической реакции в растворе, благодаря которой происходит его гидратация и дальнейшее формирование цементного камня. Смешивание сначала сухих компонентов расширяемой цементной композиции, а затем перемешивание полученной цементной композиции с водой предпочтительнее, поскольку перед цементированием подземной скважины в этом случае возможно провести лабораторные испытания части расширяемой цементной композиции, и определить физико-механические характеристики образующегося цементного камня в лабораторных условиях.

[0066] Компоненты расширяемой цементной композиции могут быть смешаны с помощью любого способа, применяемого в области цементирования скважин, например, при использовании пневматического или механического способов. В случае пневматического способа композицию перемешивают путем ее перемещения между емкостями 3 – 9 раз. В случае механического способа перемешивание осуществляют с помощью лопастных мешалок в течение 0.5 – 15 минут. Порционное перемешивание смеси расширяемой цементной композиции пневматическим или механическим способом позволяет получить гомогенную, с равномерно распределенными компонентами по всему объему смесь.

[0067] Для получения расширяемого цементного раствора вода и расширяемая цементная композиция могут быть смешаны с помощью любого смесительного устройства, используемого в области цементирования скважин. Предпочтительнее смешивание расширяемой цементной композиции с водой осуществлять пневматическим или шнековым способом. Пневматический способ перемешивания для получения расширяемого цементного раствора заключается в подаче расширяемой цементной композиции потоком воздуха в поток воды. Шнековый способ перемешивания для получения расширяемого цементного раствора заключается в транспортировке расширяемой цементной композиции из емкости путем вращения шнеков в поток воды. Пневматический и шнековый способы перемешивания компонентов расширяемого цементного раствора обеспечивают высокую его гомогенность.

[0068] Перед размещением расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом могут закачивать или не закачивать в призабойную зону скважины химический буфер, содержащий поверхностно-активные вещества. Предпочтительнее закачивать в призабойную зону скважины химический буфер, содержащий поверхностно-активные вещества, например, анионного, катионного или неионного типов, в количестве до 500 л/м³, это позволяет очистить стенки скважины и обсадной колонны от остатков бурового раствора для более плотного прилегания к ним цементного камня.

[0069] Для лабораторных исследований после приготовления расширяемый цементный раствор заливают в кубическую форму со стороной длиной 5.08 см, затем помещают в автоклав или на водяную баню и выдерживают цементный раствор в течение 72 часов для его затвердения. Таблица 2 содержит информацию о физико-механических характеристиках цементного камня, полученного из расширяемого цементного раствора, согласно примерам 1 – 4.

Таблица 2.

Физико-механические характеристики цементного камня

№	Прочность на сжатие, МПа через 72 часа	Модуль Юнга, ГПа	Линейное расширение, %
1	35.1	5.2	7.1
2	36.2	4.2	6.2
3	37.1	4.01	4.1
4	39.2	4.1	0.5

[0070] Согласно результатам испытаний расширяемые цементные растворы проявляют приемлемые физико-механические свойства: модуль Юнга от 5 ГПа до 8 ГПа, прочность на сжатие от 30 МПа до 40 МПа, линейное расширение от 0.05% до 20%.

[0071] Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить, с одной стороны, цементный камень, который плотно прилегает к обсадной колонне или породе, с другой стороны, камень, который выдерживает давление МГРП, это позволяет минимизировать риск проникновения пластовых флюидов в водоносные горизонты или на поверхность во время добычи нефти, газа. Настоящее изобретение могут использовать при первичном цементировании, а также в ремонтно-изоляционных работах.

[0072] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Claims (32)

1. Расширяемая цементная композиция, содержащая твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %:

• твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 - 30;

• полимерная добавка 10 - 50;

• сухой цемент - остальное,

при этом соотношение твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов регулируется следующим образом: при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 49°C используют твердофазную расширяющую добавку оксидного типа, при статической температуре на забое в диапазоне от 50°C до 65°C применяют сочетание твердофазных расширяющих добавок оксидного и компрессионного типов, при статической температуре на забое более 66°C используют твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа.

2. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного типа на основе оксидов щелочных металлов.

3. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит твердофазную расширяющую добавку компрессионного типа на основе инкапсулированного порошка алюминия, магния или цинка.

4. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C при каждом увеличении температуры на 10 - 20°C уменьшают количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа на 1 - 3% по весу сухого цемента.

5. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что при статической температуре на забое более 50°C при каждом увеличении температуры на 10 - 20°C увеличивают количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа на 0,1 - 0,5% по весу сухого цемента.

6. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C используют сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 - 5% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 - 50% по весу сухого цемента; при статической температуре на забое более 61°C используют сочетание водорастворимой полимерной добавки в количестве 0 - 2% по весу сухого цемента и водонерастворимой полимерной добавки в количестве 10 - 50% по весу сухого цемента.

7. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит водорастворимую полимерную добавку на основе полиакриламида, карбоксиэтилцеллюлозы, оксиэтилцеллюлозы, стиромалеата натрия, поликарбоксилата и водонерастворимую полимерную добавку на основе бутадиен-стирольного каучука, бутадиен-нитрильного каучука.

8. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C содержит ускоритель схватывания в количестве 0 - 4% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°C содержит замедлитель схватывания в количестве 0 - 3% по весу сухого цемента.

9. Расширяемая цементная композиция по п. 8, отличающаяся тем, что содержит ускоритель схватывания на основе солей кальция и замедлитель схватывания на основе органических, неорганических кислот и их солей.

10. Расширяемая цементная композиция по п. 8, отличающаяся тем, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C при каждом увеличении температуры на 10 - 20°C уменьшают количество ускорителя схватывания на 0,5 - 1,5% по весу сухого цемента, при статической температуре на забое более 61°C при каждом увеличении температуры на 10 - 20°C увеличивают количество замедлителя схватывания на 0,01 - 0,06% по весу сухого цемента.

11. Расширяемая цементная композиция по п. 1, отличающаяся тем, что сухой цемент дополнительно содержит понизитель фильтрации на основе полиакриламида, гидроксиэтилцеллюлозы в количестве 0 - 2% по весу сухого цемента, стабилизатор термической устойчивости на основе оксидов переходных металлов в количестве 1 - 40% по весу сухого цемента, наполнитель на основе оксидов кальция, алюминия, магния, кремния в количестве 1 - 30% по весу сухого цемента.

12. Расширяемый цементный раствор, содержащий воду и расширяемую цементную композицию по п. 1, причем соотношение воды и расширяемой цементной композиции равно 0,35 - 2.

13. Способ цементирования подземной скважины с обсадной трубой, расположенной внутри ствола скважины, включающий:

• подбор компонентов расширяемого цементного раствора, содержащего твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент, воду, таким образом, что расширяемая цементная композиция содержит твердофазную расширяющую добавку оксидного и/или компрессионного типа, полимерную добавку, сухой цемент при следующем соотношении компонентов по весу сухого цемента, %:

• твердофазная расширяющая добавка оксидного и/или компрессионного типа 0,1 - 30;

• полимерная добавка 10 - 50;

• сухой цемент - остальное,

а соотношение воды и расширяемой цементной композиции равно 0,35 - 2, по которому количество твердофазной расширяющей добавки выбирают в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 65°C при увеличении температуры снижают количество твердофазной расширяющей добавки оксидного типа, а при статической температуре на забое более 50°C повышают количество твердофазной расширяющей добавки компрессионного типа;

• приготовление расширяемого цементного раствора;

• размещение расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом в призабойную зону скважины;

• обеспечение затвердевания и расширения от 0,05% до 20% цементного раствора.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что производят подбор компонентов расширяемого цементного раствора, по которому дополнительно используют ускоритель, замедлитель схватывания в зависимости от статической температуры на забое таким образом, что при статической температуре на забое в диапазоне от 5°C до 60°C используют ускоритель схватывания, а при статической температуре на забое более 61°C используют замедлитель схватывания.

15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что приготовление расширяемого цементного раствора производят следующим образом:

• изготавливают смесь расширяемой цементной композиции путем ее порционного перемешивания;

• смешивают расширяемую цементную композицию с водой.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что порционное перемешивание смеси расширяемой цементной композиции осуществляют пневматическим или механическим способом.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что смешивают расширяемую цементную композицию с водой пневматическим или шнековым способом.

18. Способ по п. 13, отличающийся тем, что перед размещением расширяемого цементного раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и пластом закачивают в призабойную зону скважины химический буфер, содержащий поверхностно-активные вещества.