ПЛАСТИФИКАТОР ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 1998 года по МПК E21B33/138 C04B24/22 

Изобретение относится к получению пластификаторов тампонажных растворов на основе портландцемента и может быть использовано при цементировании нефтяных, газовых, геологоразведочных и геотермальных скважин.

Известен пластификатор, содержащий конденсированную сульфитспиртовую барду (КССБ) и диэтиленгликоль (ДЭГ) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
КССБ - 60 - 88
ДЭГ - 20 - 40 [1].

Недостатками пластификатора являются пониженный пластифицирующий эффект и повышенное пенообразование при приготовлении тампонажного раствора.

Наиболее близким к заявляемому по назначению и совокупности существенных признаков является пластификатор тампонажных растворов на основе портландцемента, содержащий КССБ и поливиниловый спирт (ПВС) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
КССБ - 50 - 86
ПВС - 14 - 50 [2].

Недостатками данного пластификатора являются пониженный пластифицирующий эффект, пенообразрвание при приготовлении тампонажного раствора и высокое значение водоотдачи последнего.

Решаемая изобретением задача - повышение эффективности пластификатора.

Технический результат, который может быть получен при приготовлении тампонажного раствора с использованием предлагаемого пластификатора, заключается в снижении водоотдачи и жидкостно-цементного отношения при сохранении нормальной прокачиваемости раствора, что позволит повысить прочность цементного камня.

Для решения указанной задачи заявляемый пластификатор тампонажных растворов на основе портландцемента, включающий производное сульфокислоты и поливиниловый спирт, содержит в качестве производного сульфокислоты суперпластификатор С-3 при следующим соотношение компонентов, мас.%:
С-3 - 68 - 88
ПВС - 12 - 32
Новым в заявляемом пластификаторе является то, что в качестве производного сульфокислоты он содержит суперпластификатор С-3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
С-3 - 68 - 88
ПВС - 12 - 32
Суперпластификатор С-3 выпускается по ТУ 6-14-625-80^** и представляет собой натриевую соль продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида.

Суперпластификатор С-3 выпускается в виде легкорастворимого неслеживающегося порошка коричневого цвета с размером микромолекул 200 - 300 мкм в виде водного раствора 33-39%-ной концентрации. Товарный продукт смешивается с водой в любых соотношениях. При этом содержание сухого вещества определяется по плотности раствора. Суперпластификатор С-3 изготавливается Новомосковским заводом органического синтеза (г. Новомосковск Тульской области) и используется в производстве сборного и монолитного железобетона [3, 4].

Известно использование суперпластификатора С-3 для приготовления пластифицированных цементов [5].

Совместное применение суперпластификатора С-3 и ПВС дает новый технический результат, позволяющий приготовить стабилизированный тампонажный раствор с низким водоцементным (жидкостно-цементным) отношением, при твердении которого формируется прочный камень.

При проведении лабораторных исследований были использованы:
- тампонажный портландцемент по ГОСТ 1581-91;
- КССБ по ТУ 39-094-75;
- ПВС по ТУ 6-05-05-313-85;
- С-3 по ТУ 6-14-625-80^*.

Для проведения лабораторных исследований были приготовлены тампонажные растворы с компонентными составами, приведенными в табл. 1 и 2. Содержание заявляемого состава пластификатора в тампонажном растворе брали в пределах от 0,7 до 0,8% к массе цемента, равным содержанием пластификатора в прототипе.

Заявляемый пластификатор готовили путем растворения расчетного количества компонентов в водопроводной воде до получения однородного раствора. Приготовление тампонажного раствора производили путем затворения тапонажного портландцемента на водном растворе пластификатора. Затем определяли физико-механические свойства тампонажного раствора и цементного камня при 75^oC и давлении 0,1 МПа.

Приготовление тампонажного раствора осуществляли согласно ГОСТ 26798.0-85. Основные технологические параметры тампонажного раствора (плотность, растекаемость) определяли по ГОСТ 26798.1-85. Прочность цементного камня определяли по ГОСТ 26798.2-85. Водоотдачу тампонажного раствора определяли на приборе ВМ-6.

Пластифицирующий эффект (ПЭ) определяли по формуле:

где
D₁ - растекаемость тампонажного раствора с заявляемым пластификатором;
D₂ - растекаемость тампонажного раствора, обработанного известным пластификатором при том же жидкостно-цементном отношении (ж/ц);
Пенообразование (ПО) определяли по формуле

где
P - плотность тампонажного раствора с заявляемым пластификатором;
P₀ - плотность тампонажного раствора без пластификатора при том же ж/ц.

Пример 1. В 373 мл воды добавили 7 г пластификатора (1,54 г ПВС и 5,46 г С-3) и перемешивали в мешалке до полного растворения. Один килограмм портландцемента затворили на водном растворе реагентов. Ж/ц раствора равно 0,38 (опыт 2, табл.1). Образующийся тампонажный раствор имеет растекаемость 20 см ко конусу АзНИИ, плотность раствора 1980 кг/м³. Растекаемость тампонажного раствора с известным пластификатором равна 16,7 см, растекаемость тампонажного раствора без пластификатора 11,5 см, плотность раствора 1980 кг/м³ при том же Ж/ц (опыт 21, табл.2).

Пластифицирующий эффект заявляемого пластификатора относительно известного по прототипу равен

Пластифицирующий эффект заявляемого пластификатора относительно раствора без пластификатора равен

Пенообразование составляет

Водоотдача тампонажного раствора 38 см³ за 30 мин, прочность формируемого камня на изгиб при 75^oC равна 7,3 МПа.

Пример 2. Пластификатор готовили путем смешивания порошкообразных КССБ - 50 г и ПВС - 50 г в шаровой мельнице (опыт 13, табл. 1). После получения однородной смеси брали пластификатор в количестве 7 г (0,7 мас.%) на 1 кг цемента и вводили при перемешивании на мешалке в 443 мл воды (Ж/ц = 0,45). Полученным раствором затворили цемент. Образующийся тампонажный раствор имеет растекаемость 19,5 см по конусу АзНИИ. Растекаемость цементного раствора без добавок пластификатора при вышеуказанном Ж/ц составляет 15,5 см.

Пластифицирующий эффект состава по прототипу

Плотность образующегося тампонажного раствора составляет 1870 кг/м³, плотность тампонажного раствора без добавок 1900 кг/м³.

Водоотдача по ВМ-6 составляет 98 см³ за 30 мин. Прочность камня на изгиб при 75^oC - 5,9 МПа.

Результаты проведенных лабораторных исследований представлены в табл. 1 и 2.

В результате лабораторных исследований выявлено, что тампонажный раствор, обработанный заявляемым пластификатором позволяет снизить жидкостно-цементное отношение до 0,36. При этом водоотдача раствора снижается от 95 до 37 см³ за 30 мин, а при приготовлении раствора пенообразование отсутствует. При жидкостно-цементных отношениях от 0,36 до 0,39 пластифицирующий эффект при использовании заявляемого пластификатора повышается от 10,40 до 25,00% в сравнении с тампонажным раствором с известным пластификатором. При тех же жидкостно-цементных отношениях пластифицирующий эффект повышается до 80,0% в сравнении с тампонажным раствором без пластификатора. Анализ данных таблиц показывает, что тампонажные растворы (опыты 13 - 16, табл. 1) с известным пластификатором имеют повышенную водоотдачу (от 95 до 110 см³ за 30 мин) и пенообразование от 1,0 до 2,5%. Заявляемый пластификатор с содержанием компонентов в заявляемых пределах (опыты 1, 2, 3, 6, 7, 8, табл. 1) при введении в тампонажный раствор позволяет:
- снизить жидкостно-цементное отношение до 0,36 при нормальной растекаемости;
- пластифицирующий эффект повышается в сравнении с известным раствором до 10,40 - 25,00%, в сравнении с тампонажным раствором без пластификатора до 80,0%;
- пенообразование отсутствует;
- водоотдача снижается до 37 см³ за 30 мин;
- прочность формируемого цементного камня на изгиб повышается до 7,5 МПа.

Оптимальное содержание ПВС в пластификаторе в пределах от 12 до 32 мас. %, суперпластификатора С-3 от 68 до 88 мас.% при содержании пластификатора в тампонажном растворе от 0,7 до 0,8 мас.%.

При содержании ПВС более 32 мас.% (опыты 5 и 10, табл.1) прочность формируемого цементного камня находится в пределах прототипа и отсутствует пластифицирующий эффект. При содержании ПВС менее 12 мас.% (опыты 4 и 11, табл. 1) тампонажный раствор имеет неудовлетворительную прокачиваемость (растекаемость меньше 18 см).

Заявляемый пластификатор за счет совместного применения С-3 и ПВС обладает более высоким пластифицирующим эффектом. Его применение позволит снизить водосодержание и водоотдачу тампонажного раствора и получить более прочный цементный камень с улучшенными изолирующими свойствами, что обеспечит повышение качества и долговечности крепи скважины.

Источники информации, в которых содержатся сведения об аналогах изобретения:
1. А.с. СССР N 1670097, кл. E 21 B 33/138, Б.И. N 30, 1991.

2. Патент РФ N 2033519, кл. E 21 B 33/138, Б.И. N 11, 1995.

3. А.с. СССР N 1807033, кл. C 04 B 28/04, Б.И. N 13, 1993.

4. Патент РФ N 2041863, кл. C 04 B 28/04, Б.И. N 23, 1995.

5. Патент РФ N 2031893, кл. С 04 B 40/04, Б.И. N 9, 1995.

Изобретение относится к составу пластификатора тампонажных растворов на основе портландцемента и может быть использовано при цементировании нефтяных, газовых, геологоразведочных и геотермальных скважин. Пластификатор тампонажных растворов на основе портландцемента, содержащий производное сульфокислоты и поливиниловый спирт, в качестве производного сульфокислоты содержит суперпластификатор C-3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: суперпластификатор C-3 68-88, поливиниловый спирт 12-32. Технический результат - получение стабилизированного тампонажного раствора с повышенным пластифицирующим эффектом и повышенным значением прочности цементного камня, а также снижение водосодержания и водоотдачи тампонажного раствора и значительное улучшение изолирующих свойств цементного камня, что способствует повышению долговечности крепи скважины.2 табл.

Пластификатор тампонажных растворов на основе портландцемента, содержащий производное сульфокислоты и поливиниловый спирт, отличающийся тем, что в качестве производного сульфокислоты он содержит суперпластификатор C-3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Суперпластификатор C-3 - 68 - 88
Поливиниловый спирт - 12 - 32