КОМПЛЕКСНАЯ ДОБАВКА В ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к бурению, в частности к составам комплексных добавок в тампонажные растворы для цементирования нефтяных и газовых скважин при температурах до 100^oС, и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Известна добавка карбоксиметилцеллюлозы в тампонажный раствор на основе портландцемента в количестве 1,0-1,5% от массы цемента. Добавка регулирует водоотдачу и седиментационную устойчивость тампонажного раствора (Шадрин Л. Н. Добавка к тампонажным растворам. НТС, серия: бурение. ВНИИОЭНГ, М. 1970, с.155).

Недостатком вышеуказанной добавки является повышенное водоотделение и неудовлетворительные реологические показатели тампонажных растворов, что вызвано их повышенной водопотребностью из-за необходимости увеличения дозировки добавки для снижения водоотдачи тампонажных растворов.

Известна комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента, содержащая КМЦ и фосфатидный концентрат, при следующем соотношении компонентов, мас.

КМЦ 50,0
Фосфатидный концентрат 50,0
(авт. св. N 1518488 от 26.10.87, кл. Е 21 В 33/138). Нами осуществлен пересчет с компонентного состава тампонажного раствора на компонентный состав добавки, причем добавка вводится в цемент в количестве 0,057-0,120% от его массы, что соответствует таблице испытаний материалов описания.

Недостатком вышеуказанной добавки является повышенные водоотделение и водоотдача тампонажных растворов. Это обусловлено тем, что КМЦ и фосфатидный концентрат блокируют гидратацию цемента. На границе раздела фаз фосфатидный концентрат создает гидрофобные труднопроницаемые для воды оболочки. Поэтому свободная (химически не связанная) вода легко выжимается на поверхность цементного раствора и легко отдается в пласт скважины при наличии перепада давления.

Целью изобретения является снижение водоотделения и водоотдачи тампонажного раствора.

Цель достигается известным составом комплексной добавки, содержащей КМЦ и модифицирующий реагент, который в качестве последнего содержит отход производства себациновой кислоты состава, мас.

Сульфат натрия Не менее 93,0
Соли железа (катионы железа в пересчете на Fe₂O₃) До 0,03
Органические примеси (натриевые соли жирных кислот и себациновой кислоты) в пересчете на себацинат натрия До 1,0
Хлористый натрий До 0,7
Вода До 5,0
при следующем соотношении компонентов, мас.

КМЦ 17,3-50,0
Отход производства себациновой кислоты 50,0-82,7
В качестве КМЦ используют натриевую карбоксиметилцеллюлозу техническую ОСТ 6-05-380-80 или ее разновидности. Отход производства себациновой кислоты используют по ТУ 113-46-18-20-89. (ТУ прилагается)
Водоотделение тампонажных растворов определяется в путем выдерживания в мерном цилиндре определенного объема в течение 2 ч.

Водоотделение является последствием седиментации тампонажных растворов. Скорость седиментации частицы определяется уравнением:

где r радиус частицы;
η вязкость среды;
r и ρ_o- плотность частицы и среды;
g ускорение свободного падения.

Из уравнения определяют, что седиментация обусловлена гравитационными силами и снизить ее, а следовательно, и водоотделение, можно за счет снижения радиуса частицы (тонкости помола цемента) и увеличения вязкости среды.

Вязкость среды можно увеличить введением в жидкости затворения добавок - загустителей и ускорением процессов гидратации вяжущего, обеспечивающих быстрое расходование воды затворения.

Водоотдача в см³ за 30 мин определяется на приборе ВМ-6 с перепадом давления 0,1 МПа или на фильтр-прессе, перепад давления на котором может задаваться газом (в основном, углекислым). Водоотдача тампонажных растворов наблюдается при наличии перепада давления из раствора в пласт (фильтр). Величина водоотдачи в основном зависит от характеристики фильтра, тампонажного раствора и величины перепада давления.

Следовательно, снизить водоотдачу можно за счет корректирования составов тампонажных растворов путем введения специальных добавок, образующих на фильтре водонепроницаемый экран. Для этого пригодны полимерные добавки с определенной молекулярной массой и заданной концентрацией в жидкой фазе тампонажного раствора.

Таким образом, водоотделение и водоотдача обусловлены разными причинами и для их снижения требуются разные подходы.

При затворении цемента водой с растворенной комплексной добавкой идут сложные физико-химические процессы адсорбции, химического взаимодействия, растворения и гидратации вяжущего. В первую очередь идут химические реакции. Себацинат натрия (соль двухосновной предельной кислоты себациновой) и натриевые соли жирных кислот вступают во взаимодействие с катионами Ca²⁺, Fe²⁺, Al²⁺. Получаются мыла двух- и трехвалентных металлов, образующие на твердых поверхностях оболочки с большим содержанием воды. Оболочки из КМЦ также содержат много воды. А так как эти оболочки адсорбционно связывают воду и не препятствуют ее проникновению к зерну цемента (диффузионно), то в тампонажном растворе мало остается свободной воды.

Сульфат натрия также вступает в реакцию с гидрооксидом и гидроалюминатами кальция с образованием гипса и гидросульфоалюминатов и потреблением значительного количества химически связанной и адсорбционной воды.

Таким образом, себацинат натрия и сульфат натрия, содержащиеся в отходе производства себациновой кислоты, и карбоксиметилцеллюлоза совместно обеспечивают связывание свободной воды в тампонажном растворе, что способствует снижению его водоотделения и водоотдачи.

Хлорид натрия, содержащийся в составе отхода производства себациновой кислоты, как ускоритель схватывания, также способствует быстрому связыванию свободной воды. Применение отхода производства себациновой кислоты указанного состава по заявляемой цели снижение водоотделения и водоотдачи тампонажного раствора, не выявлено по имеющимся источникам известности.

Известны составы тампонажных растворов, содержащие в качестве добавки сульфат натрия с целью увеличения подвижного в интервале температур при 25-45^oС при одновременном увеличении pанее прочности и снижении усадки (авт. св. N 1434078 от 10.09.86, кл. Е 21 В 33/138), с целью повышения качества изоляции за счет увеличения устойчивости тампонажного камня размыву промывочными жидкостями (авт. св. N 1559115 от 27.01.88, кл. Е 21 В 33/138).

Известны составы комплексных добавок для бетонной смеси и строительного раствора на основе цемента, содержащие соли натрия или калия, образующие малорастворимые соединения с ионами кальция с целью повышения пластичности и воздухововлечения (авт. св. N 833714 от 23.05.79, по кл. C 04 B 13/24), с целью повышения степени поризации пароразогретой бетонной смеси (авт. св. N 916471 от 12.07.79, кл. С 04 В 13/24), в смеси с гидроксидом натрия с целью интенсификации твердения и исключения коррозии арматуры (авт. св. N 214364 от 2.08.65, кл. С 04 В 13/20), c целью повышения водостойкости (авт. св. N 1235842 от 26.10.84, кл. С 04 В 9/04), с целью повышения прочности, в качестве активизатора твердения (авт. св. N 635059 от 20.06.77, кл. С 04 В 7/14, авт. св. N 619456 от 23.11.76, кл. С 04 В 7/14), с целью ускорения твердения в ранние сроки (авт. св. N 1038309 от 30.08.83, кл. С 04 В 7/14, авт. св. N 1232657 от 4.01.84, кл. С 04 В 7/14), в смеси с оксидом железа, с целью увеличения степени расширения при сохранении трещиностойкости (авт. св. N 1165657 от 20.12.83, кл. С 04 В 7/153).

Влияние органических примесей, в частности, себацината натрия и натриевых солей высших жирных кислот на реологические характеристики тампонажных растворов, по имеющимся источникам не известно.

Пример 1.

Смешивают 2,6 г (17,3 мас.) КМЦ и 12,4 г (82,7 мас.) отхода производства себациновой кислоты. Образующуюся смесь растворяют в 550 мл воды и полученным водным раствором в количестве 1000 г, что соответствует 1,5% добавки к массе цемента, затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-ДО-50. Проводят лабораторные испытания: водоотделение составляет 2,8% водоотдача 105 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 0,1 МПа 6,58 МПа, газопроницаемость через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 10 МПа 0,3417х10^-3 мкм².

Пример 2.

Смешивают 5 г (50,0 мас.) КМЦ и 5 г (50,0 мас.) отхода производства себациновой кислоты. Образующуюся смесь растворяют в 550 мл воды и полученным водным раствором в количестве 1000 г, что соответствует 1,0% добавки к массе цемента, затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-Д20-100. Проводят лабораторные испытания: водоотделение составляет 1,0% водоотдача 42 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 0,1 МПа 4,56 МПа, газопроницаемость через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 10 МПа 0,3314х10^-3 мкм².

Пример 3.

Смешивают 2,1 г (34,0 мас.) КМЦ и 9,9 г (66,0 мас.) отхода производства себациновой кислоты. Образующуюся смесь растворяют в 550 мл воды и полученным водным раствором в количестве 1000 г, что соответствует 1,2% добавки к массе цемента, затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-ДО-50. Проводят лабораторные испытания: водоотделение составляет 0,77% водоотдача 35 см³, прочность при изгибе через 2 сут твердения при 75^oC и давлении 0,1 МПа - 5,40 МПа, газопроницаемость через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 10 МПа 0,3110x10^-3 мкм².

Пример 4.

Смешивают 2,58 г (17,2 мас.) КМЦ и 12,42 г (82,8 мас.) отхода производства себациновой кислоты. Образующуюся связь растворяют в 550 мл воды и полученным водным раствором в количестве 1000 г, что соответствует 1,5% добавки к массе цемента, затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-ДО-50.

Проводят лабораторные испытания:
водоотделение составляет 3,05% водоотдача 131 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 0,1 МПа - 6,60 МПа, газопроницаемость через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 10 МПа 0,3866х10^-3 мкм².

Пример 5.

Смешивают 5,01 г (50,1 мас.) КМЦ и 4,99 г (49,9 мас.) отхода производства себациновой кислоты. Образующуюся смесь растворяют в 550 мл воды и полученным водным раствором в количестве 1000 г, что соответствует 1,0% добавки к массе цемента, затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-Д20-50.

Проводят лабораторные испытания:
водоотделение составляет 0,95% водоотдача 41 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 0,1 МПа - 6,60 МПа, газопроницаемость через 2 сут твердения при 75^oС и давлении 10 МПа 0,3296х10^-3 мкм².

Содержание в комплексной добавке КМЦ в количестве более 50,0 мас. и отхода производства себациновой кислоты в количестве менее 50,0 мас. нецелесообразно, т. к. не способствует дальнейшему улучшению положительного эффекта.

Содержание в комплексной добавке КМЦ в количестве менее 17,3 мас. и отхода производства себациновой кислоты в количестве более 82,7 мас. нецелесообразно, т.к. не способствует достижению поставленной цели.

По сравнению с прототипом водоотделение тампонажного раствора, обработанного предлагаемой добавкой, уменьшается в 1,2-11 раз, водоотдача в 1,5-17 раз. Это обеспечивает снижение газопроницаемости и повышает изолирующую способность цементного камня в скважине.

Использование: бурение и крепление нефтяных и газовых скважин. Сущность: комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента содержит карбоксиметилцеллюлозу и технический сульфат натрия - отход производства себациновой кислоты, получаемый при нейтрализации солей жирных кислот серной кислотой. Исходные ингредиенты используют при следующем соотношении, мас. %: карбоксиметилцеллюлоза 17,3-50,0, технический сульфат натрия 50,0-82,7. Использование данной добавки в цементных растворах обеспечивает снижение водоотделения и водоотдачи тампонажного раствора.

Комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента, содержащая карбоксиметилцеллюлозу и модифицирующий реагент, отличающаяся тем, что она в качестве модифицирующего реагента содержит технический сульфат натрия отходы производства себациновой кислоты, получаемой при нейтрализации натриевых солей жирных кислот серной кислоты, при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Карбоксиметилцеллюлоза 17,3 50,0
Отход производства себациновой кислоты, получаемой при нейтрализации солей жирных кислот серной кислотой 50,0 82,74