ОБЛЕГЧЕННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1994 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к горному делу, в частности к составам облегченных тампонажных растворов для цементирования скважин в условиях нормальных и умеренных температур.

Облегченные тампонажные растворы обычно применяются при цементировании скважин, вскрывших пласты с низким градиентом гидроразрыва. В качестве этих растворов в основном используются глиноцементные растворы и растворы с добавкой кремнесодержащих материалов.

Известен облегченный раствор, содержащий портландцемент, облегчающую добавку и воду. В качестве облегчающей добавки применяют пыль электрофильтров и отходы производства кремния - кремниевая пыль, уловленная скрубберами при следующем содержании компонентов в растворе, мас.%: Портландцемент 31-44 Пыль электрофильтров 6-8
Отход производства
кремния-кремниевая пыль, уловленная скрубберами 9-13 Вода Остальное
Недостатком известного раствора является низкая прочность и длительные сроки схватывания при цементировании в зоне аномально высоких пластовых давлений близко расположенных водонапорных и углеводородсодержащих пластов, что может привести к межпластовым перетокам.

Цель изобретения - сокращение сроков схватывания при одновременном увеличении прочности цементного камня.

Для этого облегченный тампонажный раствор, содержащий портландцемент и воду, в качестве добавки содержит меланолатит при следующем соотношении компонентов, мас.%: Портландцемент 35-47 Меланолатит 12-24 Вода Остальное
Для приготовления облегченной смеси использовали портландцемент Вольского завода марки ПЦТ Д 20-50, выпускаемый по ГОСТ 1581-85.

Меланолатит - вулканогенная горная порода, минеральный состав которой - кварц, полевой шпат, пироксен, роговая обманка и микрокристаллическая основная масса.

Химический состав породы следующий, мас.%: SiO₂ - 55,1-53,4; Al₂O₃ - 14,9-15,6; Fe₂O₃+FeO - 13,85-14,12; MgO - 4,05-4,49; CaO - 3,07-3,47; Na₂O - 3,67-4,38; K₂O - 0,54-0,71; TiO₂ - 0,9-1,3; P₂O₅ - 0,003-0,10; потери при прокаливании - 3,84-3,37.

Высокую пуццолановую активность меланолатитам обеспечивает микрокристаллитовая основная масса, частично цеолитизированная, состава Fe_0,1-0,3x xCa_0,1˙Na_0,2˙K_0,1˙Al_0,3-0,5˙Si₂ ˙O₃. Эта микрокристаллическая фаза, находясь в химически неустойчивом состоянии, при затворении смешанного вяжущего водой способна реагировать с гидроокисью кальция и тоберморитовой группой, образующихся при гидратации основных минералов цемента.

Физико-химические исследования предлагаемой композиции показывают, что активная фаза - сложная смесь солей /Fe_0,1-0,3˙Ca_0,1˙Na_0,2˙K_0,1˙Al_0,3-0,5˙Si₂xO₃/. Она содержится в породе в виде микрокристаллитов/ неразличимых под микроскопом даже при 200х-кратном увеличении, которые активное реагируют с Ca/OH/ и с тоберморитовой группой, образуя водные силикаты кальция /CSH/, четырехкальциевые алюмосиликаты /C₄ASH_x/, которые фиксируются на рентгенограммах линиями 5,22; 2,86; 3,51 и тобермориты, близкие к аморфным. Эти новые образования повышают водостойкость, термостойкость, проводят к увеличению прочности при изгибе и сжатии и способствуют уменьшению сроков схватывания.

Состав и свойства образующихся гидросиликатов зависят от количества введенной добавки и температуры. Введение добавки при соотношении цемент: меланолатит - 80:20 - 60:40 наиболее оптимально, так как этого оказывается достаточным для образования низкоосновных гидросиликатов и водных алюмосиликатов, которые способствуют сокращению сроков схватывания при достижении высокой прочности тампонажного камня.

Приготовление облегченного тамонажного раствора и определение его свойств (плотность, растекаемость, сроки схватывания, прочность) осуществлялись стандартными методами.

Добавку, размолотую до 2500-3000 м²/кг, меланолатита к портландцементу вводят в сухом виде. Облегченный раствор готовят затворением полученной сухой смеси на воде. Перемешивание осуществляют вручную в течение 3-5 мин. Образцы тампонажного камня выдерживают при температуре 20^о и 75^оС.

П р и м е р 1. 470 г портландцемента и 120 г меланолатитов после перемешивания затворяют 410 г воды. Водосмесевое отношение составляло 0,7, что соответствует соотношению ингредиентов, мас.%: Портландцемент 47,0 Меланолатит 12,0 Вода 41,0
Результаты испытаний приведены в таблице. При данном соотношении ингредиентов (пример 2 в таблице) плотность состава 1,61 г/см³, растекаемость 24,0 см, прочность на изгиб и сжатие в 2-х суточном возрасте при температуре +20^оС соответственно равны 2,06 и 2,50 МПа, а при температуре +75^оС - 36,8 и 77,6 МПа.

П р и м е р 2. 410 г портландцемента перемешивают с 180 г меланолатита, затем добавляют воду в количестве, определяемом В/с=0,7, что соответствует соотношению ингредиентов, мас. % : Портландцемент 41,0 Меланолатит 18,0 Вода 41,0
При таком соотношении ингредиентов (пример 3 в таблице) плотность состава 1,59 г/см³, растекаемость 21,0 см, прочность на изгиб и сжатие в 2-х суточном возрасте при температуре +20^оС соответственно 2,18 и 2,53 МПа.

П р и м е р 3. В сухом виде перемешивали 350 г портландцемента и 240 г меланолатита, добавив воду, получили раствор при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Портландцемент 35,0 Меланолатит 24,0 Вода 41,0
При данном соотношении инградиентов (пример 4 в таблице) плотность раствора 1,55 г/см³, растекаемость 19,0 см, прочность при температуре +20^оС на изгиб равна 2,21 МПа, на сжатие - 2,61 МПа; а при температуре +75^оС - 35,4 и 76,8 МПа соответственно.

Результаты исследований показывают, что применение добавки меланолатита в составе облегченного тампонажного раствора позволяют получать облегченные тампонажные растворы с плотностью 1,55 -1,61 г/см³ со сроками схватывания: при t=+20^oC - начало 360-525 мин, конец - 470-660 мин; при t=75^oC - начало 65-75 мин, конец - 130-140 мин; образующийся цементный камень имеет прочность на изгиб при температуре 20^оС и 75^оС соответственно 2,16-2,21 МПа и 35,4-37,8 МПа против прочности известного цементного камня - 0,9-2,0 МПа и 2,9-4,5 МПа при температурах соответственно +20^оС и 75^оС.

Использование: крепление скважин. Сущность: облегченный тампонажный раствор содержит, мас.%: портландцемент 35 - 47; меланолатит 12 - 24 и воду остальное. Меланолатит - вулканогенная порода со следующим минеральным составом: кварц, полевой шпат, пироксин, роговая обманка и микрокристаллическая основная масса. 1 табл.

ОБЛЕГЧЕННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР, содержащий портландцемент, облегчающую добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве облегчающей добавки он содержит меланолатит при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент 35 - 47
Меланолатит 12 - 24
Вода Остальное