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 ^oC, и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Известна комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента, содержащая следующие компоненты, мас.

КМЦ 50,0
Фосфатидный концентрат 50,0
(см. а. с. N 1518488 от 26.10.87, кл. E 21 B 33/138, опубл. ОБ N 40, 1989). 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 повышенное водоотделение и водоотдача тампонажного раствора. 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 давлений.

В качестве прототипа взята комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента, содержащая следующие компоненты, мас.

Технические лигносульфонаты 23,4-11,2
Отход производства муравьиной кислоты, образующийся при разложении формиата натрия серной кислотой 76,6-88,8
(см. а. с. N 1730431 от 24.10.92, кл. E 21 B 33/138, опубл. ОБ N 16, 1992). Нами осуществлен пересчет с компонентного состава тампонажного раствора на компонентный состав добавки, причем добавка вводится в цемент в количестве 0,68-4,36% от его массы, что соответствует таблице испытаний материалов описания. Недостатком вышеуказанной добавки является повышенное водоотделение (до 2,3% ) и водоотдача (до 240 см³ за 30 мин) тампонажного раствора. Это объясняется следующими причинами.

Технические лигносульфонаты являются анионактивными поверхностно-активными веществами. При введении в тампонажный раствор значительная их часть адсорбируется на катионах двух- и трехвалентных металлов твердой фазы и продуктов гидратации цемента, что создает значительные сопротивления для диффузии воды в цементное зерно и препятствует срастанию кристаллов новообразований. Резко возрастают сроки схватывания. Вместе с тем это практически не снижает водоотдачу тампонажного раствора, т.к. лигносульфонаты не создают сплошные водонепроницаемые пленки на фильтрующей поверхности. "Лишняя" (химически и адсорбционно не связанная) вода отжимается на поверхность под действием электростатических или гравитационных сил, или перепада давления, что приводит к значительному водоотделению тампонажного раствора. Введение в тампонажный раствор вместе с лигносульфонатами сильного электролита отхода производства муравьиной кислоты, образующегося при разложении формиата натрия серной кислотой, только усиливает эти процессы. За счет капиллярных и электростатических сил идет сжатие сольватных оболочек вокруг цементных зерен и "лишняя" вода вытесняется из тампонажного раствора. Это приводит к повышению водоотделения и водоотдачи.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, сводится к следующему: снижается водоотделение при пониженной водоотдаче тампонажного раствора.

Технический результат достигается с помощью известного состава, включающего отход производства органической кислоты на основе сульфата натрия и анионактивное поверхностно-активное вещество (ПАВ), который дополнительно содержит серно-кислый аммоний, а в качестве отхода производства органической кислоты на основе сульфата натрия отход производства себациновой кислоты, в качестве анионактивного ПАВ карбоксиметилцеллюлозу при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбоксиметилцеллюлоза 28,6-33,3
Отход производства себациновой кислоты 40,0-57,1
Серно-кислый аммоний 13,4-28,6
В качестве КМЦ используют натриевую карбоксиметилцеллюлозу техническую ОСТ 6-05-380-80 или ее разновидности.

Отход производства себациновой кислоты имеет следующий состав, 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 до 1,0
Хлористый натрий до 0,7
Вода до 5,0
Используют отход по ТУ 113-46-18-20-89. Серно-кислый аммоний по ГОСТ 3769-88.

Предлагаемый состав комплексной добавки явным образом не следует из уровня техники. По имеющимся источникам известности не выявлено применение серно-кислого аммония в смеси с отходом производства себациновой кислоты по заявляемой цели. Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень.

Водоотделение является характеристикой седиментационной устойчивости тампонажных растворов. Повысить седиментационную устойчивость (или снизить водоотделение) в дисперсных системах можно путем увеличения вязкости дисперсионной среды. В тампонажных растворах это можно сделать за счет введения в жидкость затворения добавок, увеличивающих ее вязкость, интенсифицирующих скорость набора пластической вязкости, увеличивающих поверхность раздела фаз и тем самым связывающих "лишнюю" воду затворения цемента.

Другой путь снизить водоотделение уменьшить размер цементных частиц - неприемлем, т. к. тонкость помола цемента регламентируется техническими условиями на этот продукт и произвольно изменяться не может. Остается первый вариант регулировать характеристику жидкости затворения тампонажных растворов.

Сульфат натрия, натриевая соль себациновой кислоты и сульфат аммония вступают в реакцию с гидроокисью кальция тампонажного материала. Полученные в результате этого двуводный гипс и себацинат кальция малорастворимы и откладываются на зернах цемента и продуктах ее гидратации, а образующийся гидроксид аммония очень неустойчивый и разлагается на аммиак и воду. При этом в жидкую фазу поступает гидроксид натрия, интенсифицируя процессы твердения и рост структурной вязкости тампонажного раствора. Образованные оболочки из малорастворимых продуктов реакции блокируют и нейтрализуют катионы двух- и трехвалентных металлов. Благодаря этому карбоксиметилцеллюлоза в большей своей массе остается в жидкой фазе, увеличивая ее вязкость и препятствуя водоотделению и водоотдаче тампонажного раствора. Быстрый рост структурной вязкости тампонажного раствора также препятствует водоотделению, однако полностью его не устраняет. Выделяющийся же в тампонажном растворе аммиак образует дополнительные поверхности смачивания, связывает "лишнюю" воду и предотвращает водоотделение, хотя водоотдача при этом несколько растет, но незначительно, что подтверждается актом испытаний. Таким образом, введение дополнительно с КМЦ и отходом производства кислоты сульфата аммония обеспечивает снижение водоотделения практически до нуля.

Более подробно сущность заявляемого состава комплексной добавки описывается следующими примерами.

Пример 1. Смешивают 4,0 г (28,6 мас.) КМЦ, 6,0 г (42,8 мас.) отхода производства себациновой кислоты и 4,0 г (28,6 мас.) сульфата аммония. Образующуюся смесь растворяют в воде, доводя объем раствора до 550 мл, и затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-ДО-50. Проводят лабораторные испытания: водоотделение отсутствует, водоотдача составляет 50,7 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 5,24 МПа.

Пример 2. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 4,0 (28,6)
Отход производства себациновой кислоты 8,0 (57,1)
Сульфат аммония 2,0 (14,3),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1, но затворяют цемент марки ПЦТ-Д20-100.

Водоотделение составляет 0,60% водоотдача 48,0 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 5,30 МПа.

Пример 3. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 5 (33,3)
Отход производства себациновой кислоты 6 (40,0)
Сульфат аммония 4 (26,7),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1.

Водоотделение составляет 0,12% водоотдача 26,0 см³ за 30 мин, прочность при изгибе чере 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 4,61 МПа.

Пример 4. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 5 (33,3)
Отход производства себациновой кислоты 8 (53,3)
Сульфат аммония 2 (13,4),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1, но затворяют цемент марки ПЦТ-Д20-100.

Водоотделение составляет 0,62% водоотдача 16,0 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 4,86 МПа.

Пример 5. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 4 (28,5)
Отход производства себациновой кислоты 6 (42,8)
Сульфат аммония 5 (28,7),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1.

Водоотделение отсутствует, водоотдача составляет 52,3 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа 5,30 МПа.

Пример 6. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 5 (33,4)
Отход производства себациновой кислоты 8 (53,3)
Сульфат аммония 2 (13,3),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1, но затворяют цемент марки ПЦТ-Д20-100.

Водоотделение составляет 0,96% водоотдача 14,8 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 4,60 МПа.

Пример 7. Смешивают следующие компоненты, г (мас.):
КМЦ 5 (33,3)
Отход производства себациновой кислоты 6 (39,9)
Сульфат аммония 4 (26,8),
и далее проводят операции так, как указано в примере 1.

Водоотделение отсутствует, водоотдача составляет 38 см³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 4,58 МПа.

Пример 8. Смешивают следующие компоненты, г (мас%):
КМЦ 4 (28,6)
Отход производства себациновой кислоты 9 (57,2)
Сульфат аммония 2 (14,2),
и далее проводят операции, как указано в примере 1, но затворяют цемент марки ПЦТ-Д20-100.

Водоотделение составляет 0,81% водоотдача 43 см ³ за 30 мин, прочность при изгибе через 2 суток твердения при 75^oC и давлении 20 МПа - 5,43 МПа.

Содержание КМЦ в количестве менее 28,6 мас. и сульфата аммония в количестве более 28,7 мас. нецелесообразно, т.к. поставленная цель уже достигнута и водоотделение снижено до 0.

Содержание КМЦ в количестве более 33,3 мас. и сульфата аммония в количестве менее 13,4% нецелесообразно, т.к. повышается водоотделение.

Содержание отхода производства себациновой кислоты в количестве менее 40,0 мас. нецелесообразно, т.к. растекаемость тампонажного раствора неудовлетворительная (16 см против 18 см по норме), в количестве более 57,1 мас. также нецелесообразно, т.к. повышается водоотделение.

По сравнению с прототипом водоотделение тампонажного раствора, обработанного заявляемой добавкой, уменьшается ≈ в 1,5 3,0 раза, водоотдача в 5 10 раз, что обеспечивает получение цементного камня с высокими физико-механическими показателями.

Использование: бурение и крепление нефтяных скважин, предназначено для составов, используемых при цементировании нефтяных и газовых скважин при температурах до 100^oC. Сущность: изобретение обеспечивает снижение водоотделения при пониженной водоотдаче тампонажного раствора. Смешивают 4-5 г (28,6-33,3 мас.%) КМЦ, 6-8 г (40,0-57,1 мас.%) отхода производства себациновой кислоты, 2-4 г (13,4-28,6 мас.%) серно-кислого аммония. Образующуюся смесь растворяют в воде, доводят объем раствора до 550 мл и затворяют 1000 г цемента марки ПЦТ-ДО-50 или марки ПЦТ-Д20-100.

Комплексная добавка в тампонажный раствор на основе портландцемента, включающая отход производства органической кислоты на основе сульфата натрия и анионоактивное поверхностно-активное вещество (ПАВ), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сернокислый аммоний, а в качестве отхода производства органической кислоты на основе сульфата натрия отход производства себациновой кислоты, в качестве анионоактивного ПАВ карбоксиметилцеллюлозу при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбоксиметиллцеллюлоза 28,6 33,3
Отход производства себациновой кислоты 40,0 57,1
Сернокислый аммоний 13,4 28,6Р