Способ цементации газового или нефтяного трубопровода

013320 Область техники Настоящее изобретение относится к цементации стальных труб или других структур в нефтяной и газовой скважине, таких как обсадные колонны и хвостовики. Предпосылки создания изобретения При цементации нефтяных скважин цементный раствор обычно закачивают в обсадную колонну и помещают в кольцевое пространство между внешней стенкой обсадной колоны и скважиной. Двумя наиболее важными целями проведения цементации являются предотвращение перемещения газа и жидкости между подземными пластами и фиксация и поддержка обсадной трубы. Кроме изолирования пластов,дающих нефть, газ и воду, цемент также защищает обсадную колонну от коррозии и предотвращает выброс газа или нефти, поскольку цементный раствор герметизирует скважину весьма быстро и непроницаемо. При температурах выше 110 С гидратные фазы затвердевшего портландцемента претерпевают изменение. Данное явление известно как снижение прочности цемента. Оно приводит к худшим изоляционным свойствам, таким как более низкая прочность на сжатие и более высокая проницаемость затвердевшего цемента, и приводит к потере зонной изоляции, как известно в области цементации нефтяных скважин, с возможностью поступления жидкости или газа из пласта в скважину и сквозь разные пласты. Снижение прочности легко определяется по быстрому и раннему уменьшению прочности на сжатие и увеличению проницаемости затвердевшего цемента с течением времени при температуре выше 110 С. При отсутствии уменьшения прочности на сжатие и увеличения проницаемости затвердевшего цемента можно заключить что снижение прочности отсутствует. В течение 50 лет компании обычно добавляли к цементу кварцевую муку со средним диаметром частиц примерно 20-60 мкм в количестве 35% от веса цемента для предотвращения снижения прочности цемента (Journal of American concrete institute v. 27,6, 678, February 1956). Однако существуют затруднения в обращении и хранении, связанные с применением сухих смесей,полученных из цемента и сухой кварцевой муки, такие как нехватка пространства, необходимого для размещения нескольких отличающихся друг от друга сухих смесей на буровых установках или шельфовых платформах, загрязнение вследствие неправильного использования и общие затруднения, связанные с получением и манипулированием тонкоизмельченными порошками. Совсем недавно в качестве альтернативы операциям с использованием полностью сухих смесей получили коммерческое распространение жидкие суспензии кремнезема. Данные жидкие добавки оказались эффективными для предотвращения снижения прочности цемента при использовании кремнезема в количестве, эквивалентном 35% от веса цемента. Они показали некоторые преимущества над операциями с использованием сухих смесей, особенно в операциях на шельфе и в удаленных пунктах, тогда как лишь наиболее глубокие обсадные колонны/хвостовики требуют применения кремнезема для стабилизации портландцемента или другой цели. К сожалению, ограничение, которое было установлено ранее при использовании суспензии, заключалось в том, что требовалась относительно высокая концентрация жидкого продукта, чтобы обеспечить количество кремнезема, соответствующее 35% от веса цемента. Это означает, что было необходимо транспортировать большой объем жидких добавок и смешивать их в ходе операции цементации. Это особенно существенно в случае шельфовых буровых платформ, где палубное и складское пространство может быть весьма ограничено. Таким образом, существуют проблемы хранения как различных сухих материалов, так и жидких добавок. Описание изобретения Целью настоящего изобретения является создание способа предотвращения снижения прочности цемента, использованного для нефтяных и газовых трубопроводов, в частности для шельфовых скважин. Дополнительная цель состоит в устранении необходимости хранения и смешения сухих порошков для создания цементных растворов и сведения к минимуму объема любых добавок для цементного раствора, доставленных на буровую. Часто в случае шельфовых скважин температуры скважин находятся в диапазоне от 100 до 150 С. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при данных температурах скважин может быть использован другой подход к применению кремнезема в качестве добавки к цементному раствору. Согласно изобретению, следовательно, создан способ цементации обсадной колонны нефтяного или газового трубопровода к стенке окружающей скважины, содержащей образование гидравлического цементного раствора, распределение раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенкой окружающей скважины и отверждение цемента, при этом цементный раствор образован смешением гидравлического цемента, кремнезема в количестве от 12 до 24% от веса цемента и воды, причем кремнезем включает от 1/3 до 2/3 тонкодисперсного кремнезема и от 2/3 до 1/3 кварцевой муки. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения кремнезем находится в виде водной суспензии тонкодисперсного кремнезема и кварцевой муки. Предпочтительные частицы тонкодисперсного кремнезема, использованные в данном изобретении,-1 013320 имеют аморфную природу, такую как микрокремнезем, но также могли бы быть кристаллическими. Авторы изобретения обнаружили, что, применяя сочетание частиц тонкодисперсного кремнезема и кварцевой муки, предпочтительно в виде водной суспензии, в цементном растворе для использования в скважинах при температурах в диапазоне от 110 до 150 С, количество кремнезема может быть значительно уменьшено и при этом, тем не менее, предотвращается уменьшение прочности цемента. В частности, при применении кремнезема в виде жидкой суспензии избегают использования кварцевой муки, избегают смешения сухих ингредиентов, необходимо транспортировать и хранить только единственный компонент (а именно водную суспензию кремнезема), и подлежащий транспортировке и хранению объем сводится к минимуму в обстоятельствах, где наличие места хранения является определяющим. Предпочтительно общее количество кремнезема составляет от 15 до 20% от веса цемента. При содержаниях кремнезема 10% от веса цемента и менее подавление уменьшения прочности цемента не достигается, особенно при более высоких температурах, тогда как при температурах выше 150 С необходимо использовать содержания кремнезема более 25% от веса цемента. Термин "микрокремнезем", использованный в описании и формуле изобретения данной заявки,обозначает порошкообразный, аморфный SiO2, полученный способом, в котором кремнезем (кварц) восстанавливают до SiO-газа, и продукт восстановления окисляют в паровой фазе с образованием аморфного кремнезема. Микрокремнезем может содержать по меньшей мере 70% от веса кремнезема (SiO2) и имеет удельную плотность 2,1-2,3 г/см 3 и площадь поверхности 15-40 м 2/г. Большинство частиц являются, по существу, сферическими и имеют средний размер примерно 0,15 мкм. Микрокремнезем предпочтительно получают как побочный продукт производства кремния или кремниевых сплавов в восстановительных электропечах. В данных процессах образуются большие количества микрокремнезема. Микрокремнезем выделяют стандартным способом, используя мешочные фильтры или другие сборочные аппараты. Термин "тонкодисперсный кристаллический кремнезем", использованный в описании и формуле изобретения данной заявки, обозначает порошкообразный кристаллический кремнезем, имеющий диаметр D50 максимум 10 мкм и предпочтительно примерно 3 мкм. Кварцевая мука представляет собой просто размолотый кристаллический кремнезем со средним размером частиц примерно 25 мкм. Подробное описание изобретения Ниже изобретение описано более подробно в виде следующих неограничивающих примеров. Пример 1 (известный уровень техники). Стандартный цементный раствор без кремнезема смешивали, заливали и отверждали при 150 С. Измеряли прочность на сжатие и измеряли проницаемость затвердевшего цемента. Результаты показаны в табл. 1 и на фиг. 1. Как можно видеть, уменьшение прочности цемента имело место спустя 9 ч,как показано на фиг. 1. Таблица 1 Измерения проницаемости затвердевшего цемента для цемента без кремнезема,отвержденного при 150 С Пример 2 (известный уровень техники). Цемент с 35% сухой кварцевой муки от веса цемента смешивали, заливали и испытывали на прочность на сжатие и проницаемость при 150 С. Результаты показаны в табл. 2. Как и ожидалось, уменьшение прочности цемента не наблюдалось в случае добавления сухой кварцевой муки в количестве, соответствующем 35% от веса цемента. Измерения проницаемости затвердевшего цемента Пример 3 (известный уровень техники). Цемент + 35% кремнезема от веса цемента из жидкой суспензии 1/3 микрокремнезема и 2/3 кварцевой муки смешивали, заливали и испытывали при 150 С. Результаты показаны в табл. 3 и на фиг. 2. Таблица 3 Из данных фиг. 2 можно видеть, что прочность на сжатие возрастает до значения более 2000 фунт/кв.дюйм и остается на этом уровне. Снижение прочности не наблюдается. Этого можно было ожи-3 013320 дать, поскольку цемент имел стандартное содержание кремнезема, составляющее 35% от веса цемента. Пример 4 (изобретение). Цемент, содержащий 17% кремнезема от веса цемента из жидкой суспензии кремнезема, содержащей 1/3 микрокремнезема и 2/3 кварцевой муки, смешивали, заливали, отверждали и испытывали при 150 С. Проницаемость по воздуху и прочность на сжатие измеряли интервалами в течение периода времени, составляющего один год. Результаты приведены в табл. 4. Таблица 4 Примечание. Проницаемость по воздуху на несколько порядков выше, чем проницаемость по воде. Ссылка: статья "Klinkenberg effect for gas permeability and its comparison to water permeability for porous sedimentaryrocks" - W. Tanikawa and T. Shimamoto. По прошествии 1 года при 150 С не отмечали уменьшения прочности цемента. Проницаемость затвердевшего цемента остается низкой и его прочность остается высокой. Осмотр образцов по прошествии одного года показал весьма низкую пористость и весьма тонкие поры, что означает, что цемент является весьма подходящим для герметизации буровых скважин, имеющих температуру на забое вплоть до 150 С. Неожиданно оказалось, что уменьшение прочности цемента можно было предотвратить, используя примерно половину количества кремнезема, используемого в общепринятой практике. Пример 5 (изобретение). Цемент, содержащий кремнезем в количестве 17% от веса цемента, имеющий источником жидкую суспензию кремнезема, полученную из 2/3 микрокремнезема и 1/3 кварцевой муки, смешивали, заливали и испытывали при 150 С. Как показано на фиг. 3, по прошествии 15 дней отверждения при 150 С не наблюдается уменьшение прочности цемента, т.е. жидкая смесь с данным соотношением микрокремнезема и кварцевой муки эффективно предотвращает уменьшение прочности цемента. Пример 6 (изобретение). Цемент, содержащий кремнезем в количестве 17% от веса цемента, имеющий источником жидкую суспензию кремнезема, полученную из 1/3 тонкодисперсного кристаллического кремнезема с диаметромD50, равным 3 мкм, и 2/3 кварцевой муки, смешивали, заливали и испытывали при 150 С. Как можно видеть на фиг. 4, по прошествии 1 недели отверждения при 150 С уменьшение прочности цемента не наблюдается. Частицы тонкодисперсного кристаллического кремнезема в жидкой кремнеземной смеси могут иметь аморфную или кристаллическую природу. Пример 7 (сравнение). Цемент, содержащий 10% кремнезема от веса цемента, имеющего источником жидкую суспензию кремнезема, содержащую 1/3 микрокремнезема и 2/3 кварцевой муки, смешивали, заливали и испытывали при 150 С. Как показано на фиг. 5, по прошествии 24 ч при 150 С наблюдается явное уменьшение прочности цемента, когда применяли кремнезем в количестве 10% от веса цемента из жидкой суспензии кремнезема. Необходимо минимальное содержание кремнезема для эффективного предотвращения уменьшения прочности цемента. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ цементации обсадной колонны нефтяного или газового трубопровода к стенке окружающей скважины, содержащий образование гидравлического цементного раствора, распределение раствора в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенкой окружающей скважины и отверждение цемента, при этом цементный раствор образован смешением гидравлического цемента, кремнезема в количестве от 12 до 24% от веса цемента и воды, причем кремнезем включает от 1/3 до 2/3 тонкодисперсного кремнезема и от 2/3 до 1/3 кварцевой муки.-4 013320 2. Способ по п.1, в котором кремнезем находится в виде водной суспензии тонкодисперсного кремнезема и кварцевой муки. 3. Способ по п.1, в котором тонкодисперсный кремнезем и кварцевая мука добавляются раздельно. 4. Способ по п.1, в котором тонкодисперсный кремнезем представляет собой микрокремнезем, тонкодисперсный кристаллический кремнезем, коллоидный кремнезем или их смеси. 5. Способ по п.4, в котором тонкодисперсный кристаллический кремнезем имеет диаметр D50 максимум 10 мкм. 6. Способ по п.1, в котором кремнезем составляет от 15 до 20% от веса цемента. 7. Гидравлический цементный раствор для цементации газовых или нефтяных скважин, имеющих забойную температуру от 100 до 150 С, содержащий гидравлический цемент, от 12 до 24% кремнезема от веса цемента и воду, при этом кремнезем включает от 1/3 до 2/3 тонкодисперсного кремнезема и от 2/3 до 1/3 кварцевой муки. 8. Гидравлический цементный раствор по п.7, в котором кремнезем включает водную суспензию тонкодисперсного кремнезема и кварцевой муки. 9. Гидравлический цементный раствор по п.7, в котором тонкодисперсный кремнезем представляет собой микрокремнезем, тонкодисперсный кристаллический кремнезем, коллоидный кремнезем или их смеси. 10. Гидравлический цементный раствор по п.9, в котором тонкодисперсный кристаллический кремнезем имеет диаметр D50 максимум 10 мкм.