РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1998 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к тампонажным материалам для цементирования нефтяных и газовых скважин в сложных геолого-технических условиях, требующих повышенной надежности разобщения пластов.

Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс [1].

Недостатком этого материала является то, что образующийся цементный камень не создает плотный контакт с колонной и породой, т.е. не решает задачу надежной герметизации затрубного пространства и вследствие чего в процессе эксплуатации могут иметь место межпластовые перетоки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс и добавку [2].

Недостатком этого материала является ухудшение основных физико-механических свойств уже через шесть месяцев после изготовления: значительно понижается прочность цементного камня, материал характеризуется низкой прочностью сцепления с металлом, удлиняются сроки схватывания. В связи с этим указанный материал не может эффективно использоваться для создания тампонажных материалов, контактирующих с металлом, имеющих повышенную прочность и устойчивое расширение.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - повышение качества цементирования эксплуатационных колонн за счет увеличения прочности сцепления тампонажного материала с колонной и породой, что предотвращает негерметичность колонн и межпластовые перетоки во время эксплуатации.

Техническим результатом является создание тампонажного материала, который обеспечивал бы повышенную прочность и адгезионную способность цементного камня с колонной и породой, обладал устойчивым расширением.

Поставленная задача и технический результат выполняются тем, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал включает портландцемент, гипс и добавку и в отличие от известного в качестве добавки содержит гидрокарбоалюмосиликатный материал при следующем содержании компонентов, мас.%:
Портландцемент - 86 - 96
Гипс - 2 - 7
Гидрокарбоалюмосиликатный материал - 2 - 7.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал отличается от известного введением нового компонента - гидрокарбоалюмосиликатного материала.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна", поскольку использование изобретения позволяет осуществить давно существующую потребность и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Гидрокарбоалюмосиликатный материал получают в качестве попутного продукта способом гидрохимического синтеза из щелочнокарбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов на глинозем высших сортов, содопродукты и цемент. Гидрокарбоалюмосиликатный материал содержит в качестве основной фазы ненасыщенный твердый раствор ангидрида угольной кислоты в четырехкальциевом гидроалюминате ориентировочной формулы
4CaO•Al₂O₃•(0,25-1,25)CO₂•(11- 12)H₂O.

В качестве второстепенной фазы материал содержит карбонат кальция, гидроалюминаты и низконасыщенные гидрогранаты кальция. Действие гидрокарбоалюмосиликатного материала при твердении составов, содержащих эту добавку, основывается на химическом взаимодействии гидрокарбоалюмосиликата и гипса с образованием эттрингита по условной формуле;
4CaO•Al₂O₃•CO₂•(11-12)H₂O+ 3(CaSO₄•0,5H₂O)+(14-15)H₂O
3CaO•Al₂O₃•3CaSO₄•(31-33)H₂O+ CaCO₃
Образование этого соединения на определенных этапах формирования цементного камня обусловливает компенсацию естественной усадки цементного камня, фиксированное расширение цементного камня в требуемых пределах, а также уплотнение его структуры. Образование эттрингита происходит в ранние сроки твердения, что обеспечивает рост прочности образующегося камня.

Были приготовлены: один состав известного материала (портландцемент, гипс и добавка) и шесть составов материала согласно изобретению (портландцемент, гипс и добавка - гидрокарбоалюмосиликатный материал) с граничным и средним содержанием компонентов, а также с их содержанием выше верхнего и ниже нижнего пределов. Приготовление образцов осуществлялось путем затворения гомогенизированной смеси портландцемента, гипса и добавки водой, перемешивание осуществлялось в лабораторной мешалке в течение 3 мин. Плотность, растекаемость, сроки схватывания, прочность при изгибе и прочность сцепления определены по общепринятым методикам по ГОСТ 26798.0-85-26798.2-85, а степень расширения - с помощью прибора системы ГОИ (государственный оптический институт).

Результаты испытаний приведены в таблице.

Из представленных данных следует, что прочность на основе предлагаемого материала в зависимости от количества вводимой добавки значительно превышает прочность известного материала в 1,6 раза. Прочность сцепления незначительно меняется от количества добавки и больше, чем у прототипа в 1,8 раза. Анализ результатов линейных деформаций позволяет сделать вывод о том, что во всех случаях за исключением образцов 5 и 6, наблюдается прогрессивное расширение, которое интенсивно нарастает в течение 1 - 9 сут гидратации и обнаруживает тенденцию к стабилизации к 14 сут твердения. При содержании 10% добавки (образец 5) происходит образование большого количества эттрингита, который дает значительное расширение более 5%, приводящее к появлению микро- и макротрещин в образце. Образец, содержащий 1% добавки (образец 6), обладает высокой прочностью, но характеризуется незначительным расширением.

На основании анализа результатов расширяющегося тампонажного материала предлагаем оптимальную дозировку добавки 2 - 7%, при которой достигается устойчивое расширение и высокая степень уплотнения цементного камня.

Использование предлагаемого тампонажного материала позволяет решить проблему повышения герметичности скважин и их надежности за счет долговечности, расширения в заданных пределах в затвердевшем камне, упростить и удешевить технологию цементирования, так как отпадает необходимость ввода дефицитных, дорогостоящих и токсичных добавок, применяемых для улучшения свойств тампонажных материалов.

Тампонажный расширяющийся материал не образует токсичных соединений, пожаровзрывобезопасен.

Расширяющийся тампонажный материал содержит портландцемент, гипс и функциональную добавку - гидрокарбоалюмосиликатный материал при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 86 - 96, гипс 2 - 7, гидрокарбоалюмосиликатный материал 2 - 7. 1 табл.

Расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс и добавку, отличающийся тем, что в качестве добавки он содержит гидрокарбоалюмосиликатный материал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Порлтандцемент - 86 - 96
Гипс - 2 - 7
Гидрокарбоалюмосиликатный материал - 2 - 7