ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки

В состав для крепления призабойной зоны слабоцементированных пластов включены цемент, кварцевый песок, водорастворимый полимер, щелочной компонент в виде гидроксида или карбоната щелочного метала, наполнителя и воды, в котором в качестве водорастворимого полимера содержится смесь гидролизованного полиакрилонитрила (гипана) и поливинилацетатной эмульсии в соотношении массовых частей, равном 1:15-20 соответственно, в качестве наполнителя - древесные опилки с влажностью 10-12%, при этом кварцевый песок имеет размер зерен 0,315-0,630мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цемент - 19-21

кварцевый песок - 42-49

поливинилацетатная эмульсия - 0,3-0,6

гипан - 0,020-0,030

гидроксид или карбонат щелочного металла - 0,6-0,8

древесные опилки - 1,5-2,6

вода - остальное.

В составе используют тампонажный портландцемент АЦП-50 по ГОСТ1581-85, поливинилацетатную эмульсию (ПВАЭ) с содержанием поливинилацетата 50 мас.% по ТУ 113-00-5761673-120-92, гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) 20%-ный по ТУ 6-01-166-74, гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79, карбонат натрия по ГОСТ 10689-75.

Древесные опилки являются отходами переработки любого вида древесины, из которых удалена крупная фракция. Дисперсность отходов не более 4мм.

Совместное применение гипана и ПВАЭ приводит к образованию сложного полимерного комплекса с одинаковой по составу основной цепью входящих ингредиентов, но неодинаково ориентированными свободными концами различного строения (см. формулу 1).

Такой состав образующегося сополимера обусловливает его сопряженную адсорбцию на частицах цементных зерен и продуктах гидратации цемента. При этом происходит наиболее равномерное заполнение порового пространства гидрофильными соединениями, в результате чего удерживающая способность состава увеличивается.

Появление сетчатой структуры высокомолекулярных соединений сополимера гипана и ПВАЭ обусловлено взаимодействием последнего с поливалентными катионами Са, Аl,fе, находящимися в растворе песчано-цементной смеси, и может быть представлено формулами:

гидролиз входящего в состав гипана полиакрилонитрила (см. формулу 2); взаимодействие макромолекул ПВА с гидроксидом кальция (см. формулу 3).

Взаимодействие сополимера с поливалентными катионами приводит к образованию высокомолекулярного соединения (см. формулу 4).

Кроме того, присутствие в песчано-цементном растворе добавки щелочного типа, взаимодействующей с кремнеземом, также способствует повышению стабильности системы в результате образования коллоидного раствора кремнекислоты на поверхности частиц песка в соответствии с реакциями:

2naoh+sio ₂na ₂sio ₃+h ₂o

na ₂sio ₃+2h ₂oh ₂sio ₃+2naoh

naoh

sio₂+h₂oh₂sio₃

Суммарное уравнение приведенных реакций показывает, что присутствие в растворе щелочи активизирует гидрому кремнезема с образованием коллоидной кремнекислоты, которая, в свою очередь, реагирует с гидроксидом кальция цементного раствора:

h₂sio₃+Са(ОН) ₂=Саsio₃•2Н ₂О

Образующийся гидросиликат кальция является связующим звеном между частицами цемента и песком, способствует равномерному распределению последнего в цементном растворе.

При использовании карбоната натрия в качестве щелочной добавки, помимо описанных выше, происходит еще реакция образования мелкодисперсного карбоната кальция. Этому предшествует гидролитическое расщепление карбоната натрия:

na₂СО ₃+Н ₂О --->naoh+h₂СО ₃.

Образующаяся углекислота связывается гидроксидом кальция:

h₂СО ₃+Са(ОН) ₂ СаСО ₃+2Н ₂О.

Частицы химически осажденного карбоната кальция легко удерживаются в поровом пространстве песчано-цементного раствора. Они, в результате хемосорбции сополимера гипана и ПВАЭ, участвуют в образовании полимерной сетчатой структуры, таким образом улучшая стабильность многокомпонентной системы.

Полимерно-сетчатая структура, образовавшаяся в поровом пространстве песчано-цементного раствора, помимо предупреждения осаждения твердой фазы, хорошо удерживает легкий наполнитель - древесные опилки. Их равномерное распределение в растворе обусловливается адсорбцией сополимера гипана и ПВАЭ на поверхности опилок и приобретением за счет этого свойств ионизированных частиц, электростатическое отталкивание которых друг от друга не позволяет им концентрироваться в одном месте и способствует наиболее полному распределению по всему объему раствора.

Таким образом, благодаря компонентному составу и количественному соотношению ингредиентов в песчано-цементном растворе реализуется ряд коллоидно-физических свойств образовавшегося сополимера, обусловливающий совместно с мелкодисперсным гидросиликатом (или карбонатом) кальция, появление органо-минеральной матрицы, стабилизирующей фазовый состав всей системы.

Стабилизирующее свойство образовавшейся матрицы заключается в ее способности удерживать всю твердую фазу в устойчивом состоянии: тяжелые частицы песка и цемента не осаждаются, а более легкий наполнитель - древесные опилки - не подвергаются флотации.

В результате стабилизации фазового состава многокомпонентный песчано-цементно-опилочный раствор имеет сравнительно небольшие изменения плотности по высоте столба раствора, что обусловливает получение тампонажного камня с достаточно равномерной проницаемостью и возможность эксплуатации скважины на устойчивых режимах фильтрации.

Сущность данного способа можно рассмотреть на следующем примере:

190г (19 мас.%) портландцемента, 490г (49 мас.%) кварцевого песка фракции 0,315-0,630мм и 15г (1,5 мас.%) древесных опилок с влажностью 10% смешивают до получения однородной сухой смеси.

1г 20%-ного раствора гипана (0,02 мас.%), содержащего 0,8мл (0,08 мас.%) воды, 6г 50%-ной ПВАЭ (0,3 мас.%), содержащей 3мл (0,3 мас.%) воды, и 6г (0,6 мас.%) гидроксида натрия последовательно растворяют в 292мл (29,2 мас.%) воды. Перемешивают до полного растворения компонентов. Полученным раствором реагентов затворяют подготовленную сухую смесь. Перемешивают до получения однородного песчано-цементного раствора.

Приготовленный раствор имеет плотность - 1960 кг/м ³, изменение стабильности раствора за - 24-2,2%, предел прочности цементного камня при изгибе - 1,63 МПа, газопроницаемость - 0,325мкм ², изменение газопроницаемости по длине образца - 26%.

Технология получения заявляемого состава не требует применения специального оборудования и заключается в последовательном растворении в воде полимерных компонентов и щелочной добавки и затворении на этом растворе предварительно смешанных портландцемента, песка и древесных опилок. Приготовленный песчано-цементный раствор закачивается в призабойную зону пласта. Закачку производят до заполнения каверн, о чем судят по резкому повышению давления. Состав оставляют для затвердения на 48-72ч.

Данный способ обеспечивает получение тампонирующего раствора с улучшенной стабильностью последнего в 4-7 раз, с газопроницаемостью песчано-цементного камня, обеспечивающей минимальные значения динамики показателя по высоте закрепляемой зоны в пределах 11-26% (у прототипа 61%). При этом исключаются дополнительные операции по вымыванию наполнителя из закрепляющего материала путем фильтрации пресной воды в пласт. Это снижает вероятность нарушения структуры коллектора в контактной зоне, поскольку фильтрация пресной воды приводит к разрушению слабоцементированного песка и набуханию цементирующего песок материала-глины, что в итоге ведет к изменению естественной проницаемости пласта.

Формула № 1

Взаимодействие гипана и ПВАЭ

Формула № 2

Гидролиз полиакрилонитрила, входящего в состав гипана

Формула № 3

Взаимодействие микромолекул ПВА с гидроксидом кальция

Формула № 4

Взаимодействие сополимера с поливалентными катионами