ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ Российский патент 1995 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к газонефтедобывающей промышленности, а именно к цементированию глубоких скважин.

Известен расширяющийся тампонажный состав, содержащий в качестве расширяющегося компонента окись кальция (а.с. N 1134701, кл.Е 21 В 33/138, опубл. 16.01.85). Однако, несмотря на большую величину расширения отвержденного камня, качество крепления и надежности изоляции пластов не может быть достигнуто вследствие возникновения значительных внутренних напряжений с дальнейшим растрескиванием камня за счет содержания окиси кальция (до 45% ).

Известен также тампонажный раствор для цементирования скважин на основе минерального вяжущего и углеродсодержащей добавки [1]. Недостатком данного раствора является то, что применение его возможно при температурах 125-200^оС, а при более низких температурах физико-механические характеристики образующегося камня не соответствуют требованиям ГОСТ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому раствору является тампонажный материал, содержащий минеральное вяжущее 80-90; сажу или отходы сажевого производства 10-20 вес. ч. [2]. Недостатком известного раствора является то, что углеродсодержащая добавка - сажа - является аморфным веществом с линейным расположением частиц, что определяет снижение прочностных характеристик тампонажного состава. Сажа не вступает в химическое взаимодействие с вяжущим в процессе гидратирования. Пористость сажи составляет всего 5-10% и содержит посторонних включений не более 5%, что не может влиять на объемные изменения тампонажного состава.

Целью изобретения является повышение прочности и положительные объемные изменения образующего камня, следовательно, и повышение долговечности крепи во всем рабочем диапазоне температур в скважине.

Для достижения этой цели в известном тампонажном растворе для цементирования скважин, содержащем вяжущее, углеродсодержащую добавку и воду, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащей добавки использованы отходы сухого тушения кокса при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Минеральное вяжущее 60-90 Отходы сухого тушения кокса 10-40
Отходы сухого тушения кокса представляют собой трехмерную молекулярную структуру графита, элементы структурных единиц которых представляют собой шестигранную углеродную сетку, соединенную мостиковыми связями в трехмерные блоки. Частицы сухого тушения кокса имеют влажность не более 2%, пористость 45-50%, а содержание посторонних включений - 20-30%.

Химический состав включений отходов сухого тушения кокса следующий: SiO₂ 9-57 Al₂O₃ 1-40 Fe₂O₃ 3-78 CaO 2-22 MgO, SO₃ Следы
Наличие окислов кальция, алюминия, железа предопределяет расширение тампонажного состава в процессе твердения.

Результаты подтверждены исследованиями и представлены в таблице.

В связи с тем, что отходы сухого тушения кокса имеют трехмерную структуру с высокой пористостью, они положительно влияют на прочностные характеристики тампонажного камня. Совокупность положительных объемных изменений с высокими прочностными характеристиками позволяет получить герметичную систему - тампонажный камень - вмещающая среда.

Технология приготовления тампонажного раствора не отличается от общепринятых способов получения смесей тампонажного раствора. Раствор отверждается при заданном режиме. В таблице приведены результаты лабораторных исследований. Анализ полученных результатов показывает, что повышение адгезионных свойств и расширение твердеющего камня позволяет качественно герметизировать заколонное пространство скважины, улучшая долговечность крепи.

Процесс формирования тампонажного камня при температурах 50-75^оС и давлении 30 МПа осуществлялся в консистометре. Прочностные характеристики тампонажного камня, объемные изменения, адгезия измерялись известными лабораторными методами.

П р и м е р 1. Берут компоненты в следующем соотношении, мас.%: Портландцемент 90,0 Отходы сухого тушения кокса 10,0
Из полученного тампонажного материала изготавливают образцы согласно ГОСТ 26798.0-85 - ГОСТ 26798.2-85 "Цементы тампонажные". Методы испытаний при температурах 50-75^оС. Плотность тампонажного раствора 1800 кг/м³, предел прочности на изгиб образовавшегося камня, отвержденного при 50^оС 4,0 МПа; 75^оС 4,8 МПа.

Предел прочности на сжатие камня твердеющего при 50^оС 10,2 МПа; 75^оС 12,3 МПа.

Адгезия тампонажного состава с металлической обоймой затвердевшего при температуре 50^оС 5,0 МПа, 75^оС 6,01 МПа
Расширение тампонажного состава, твердевшего при температуре 50^оС 0,2%; 75^оС 0,5%.

П р и м е р 2. Берут компоненты в следующем соотношении, мас.%: Портландцемент 50,0 Отходы сухого тушения кокса 50,0.

Технология приготовления аналогична примеру 1. Плотность тампонажного состава 1530 кг/м³, предел прочности на изгиб камня, отвержденного при температуре 50^оС 2,0 МПа; 75^оС 2,5 МПа.

Предел прочности на сжатие камня, твердевшего при температуре 50^оС 5,3 МПа; 75^оС 6,0 МПа.

Адгезия тампонажного камня с металлической обоймой, затвердевшего при 50^оС 4,0 МПа; 75^оС 5,0 МПа.

Расширение тампонажного раствора, твердеющего при температуре 50^оС 0,85%; 75^оС 1,022%.

П р и м е р 3. Берут компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Портландцемент 70,0
Отходы сухого тушения кокса 30,0
Технология приготовления аналогична предыдущим примерам. Плотность тампонажного раствора 1660 кг/м³. Предел прочности на изгиб камня, твердеющего при температуре 50^оС 3,0 МПа; 75^оС 3,8 МПа.

Предел прочности на сжатие при 50^оС 8,0 МПа; 75^оС 10,4 МПа.

Адгезия тампонажного камня с металлом при 50^оС 4,5 МПа; 75^оС 6,8 МПа.

Расширение тампонажного состава соответственно при 50^оС 0,6%; 75^оС 1,00%.

Этот состав взят оптимальным.

Оптимальный состав обладает высокими прочностными характеристиками при температурах 50-75^оС, значительными положительными объемными изменениями, а следовательно, и высокими адгезионными характеристиками, что гарантирует герметичность системы тампонажный камень - вмещающая среда.

Использование: крепление нефтяных и газовых скважин. Сущность: тампонажный состав содержит, мас. %: тампонажное минеральное вяжущее 60 - 90 и отход сухого тушения кокса 10 - 40. Состав затворяют водой. 1 табл.

ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ, включающий тампонажное минеральное вяжущее и углеродсодержащую добавку, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащей добавки он содержит отход сухого тушения кокса при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Тампонажное минеральное вяжущее - 50 - 90
Отход сухого тушения кокса - 10 - 50