ГИПСОЦЕМЕНТНАЯ ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ Российский патент 1999 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин в условиях многолетнемерзлых пород (ММП).

Известны гипсоцементные тампонажные смеси, включающие портландцемент и полугидрат сульфата кальция β - формы при соотношениях от 20/80 до 80/20. В качестве жидкости затворения используют растворы солей-ускорителей твердения и понизителей температуры замерзания жидкой фазы /1/.

Применение этих смесей позволяет сократить сроки схватывания раствора и повысить прочность цементного камня при пониженных температурах. Вместе с тем тампонажный раствор и камень, сформированный из этих смесей характеризуется преждевременным загустеванием ("ложным схватыванием"), недостаточной прочностью и низкой водостойкостью из-за наличия гипсовой составляющей. Это оказывает отрицательные последствия на процесс цементирования и качество крепления скважины.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является гипсоцементная смесь "Пермафрост" фирмы "Халлибуртон" (США), включающая портландцемент и полугидрат сульфата кальция α - формы при соотношениях 50/50 и 60/40/2/. Указанному материалу хотя и свойственны улучшенные реологические свойства раствора и повышенная прочность камня, однако тампонажный раствор на основе этой смеси характеризуется большим водоотстоем-усадкой, а цементный камень - низкой водостойкостью. В совокупности указанные недостатки со временем приводят к образованию замерзающих "водяных поясов", снижению срока службы цементной изоляции и, как следствие, ухудшению качества крепления скважины в ММП.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое техническое решение, являются снижение водоотстоя-усадки раствора и водостойкости камня, сформированного на основе гипсоцементной смеси.

Решение задачи достигается тем, что гипсоцементная тампонажная смесь, включающая портландцемент и полугидрат сульфата кальция α- формы, дополнительно содержит гидрокарбоалюминат кальция - попутный продукт комплексной переработки нефелинов на глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 50 - 60
α- Полугидрат сульфата кальция - 20 - 25
Гидрокарбоалюминат кальция - Остальное
Гидрокарбоалюминат кальция представляет собой порошок белого цвета, преимущественно из насыщенных твердых растворов ангидрида угольной и (или) серной кислоты в четырехкальциевом гидроалюминате общей формулы
4 CaO Al₂O₃ • CO₂ (SO₃) (11 - 12)H₂O,
где x = 0,25 - 1,25
Гидрокарбоалюминатную добавку получают в качестве попутного продукта способом гидрохимического синтеза из щелочно-карбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов на глинозем высших сортов и содопродуктов.

Снижение водоотстоя - усадки раствора и повышение водостойкости камня обусловлено химическим взаимодействием гидрокарбоалюмината кальция и полугидрата сульфата кальция α- формы с образованием более водостойкой, чем гипс, расширяющейся фазы - гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) по схеме:

Были приготовлены состав известной гипсоцементной тампонажной смеси "Пермафрост" фирмы Халлибуртон (США), включающей портландцемент и полугидрат сульфата кальция α- формы, а также пять составов гипсоцементной тампонажной смеси согласно изобретению (портландцемент, полугидрат сульфата кальция α- формы и гидрокарбоалюминат кальция) при водоцементном факторе 0,38 с граничным и средним содержанием компонентов, а также с их содержанием выше верхнего и ниже нижнего пределов при температуре 0 - +2^oC. Определение растекаемости, водоотстоя-усадки раствора и 2-х суточной прочности образцов камня на изгиб осуществлялось в соответствии с ГОСТ 26798,0 - 26798,2 - 91. Водостойкость образцов цементного камня оценивалась по отношению прочности образцов 28-суточного срока твердения в "ледяной" воде к прочности образцов воздушного твердения.

Приготовление гипсоцементной тампонажной смеси в заводских условиях осуществляется по существующей технологии и сводится к дозировке отдельных компонентов с помощью тарельчатых или весовых дозаторов и последующему помолу в шаровых мельницах. В полевых условиях приготовление гипсоцементной тампонажной смеси может быть осуществлено с помощью цементносмесительных машин СМН-20, для чего, например, в приемный бункер шнекового транспортера поочередно загружается портландцемент, полугидрат сульфата кальция α - гидрокарбоалюминат из расчета на один мешок портландцемента (50 кг) по 25 кг полугидрата сульфата кальция α - гидрокарбоалюмината кальция.

Результаты испытаний приведены в таблице. Данные таблицы свидетельствуют о том, что предлагаемая гипсоцементная тампонажная смесь с оптимальным соотношением компонентов обладает лучшими свойствами, чем известная, а именно
водоотстой-усадка раствора снижена до "0";
в среднем на 25% повысилась водостойкость камня.

При содержании компонентов выше верхнего предела ухудшаются реологические свойства, а при содержании компонентов ниже нижнего предела снижается прочность камня.

Снижение водоотстоя-усадки раствора и повышение водостойкости цементного камня в совокупности способствует повышению качества крепления скважины в ММП и долговечности цементной изоляции.

Источники информации, принятые во внимание при проведении патентного поиска:
1. Геранин М.П., Чжао П.Х. Крепление скважин в осложненных условиях. М.: Обзор. информ. ВНИИЭГАЗПРОМ, серия "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", 1982, - вып. 1 - 38 с.

2. Пат. N 3891454 США, кл. 106 - 89. (C 04 B 7/02). Состав для цементирования низкотемпературных скважин, /W. Cunnigham, C. George, S. Shryock.

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании нефтяных, газовых, газоконденсатных скважин в условиях многолетнемерзлых пород. Технический результат от реализации изобретения - cнижение водоотстоя-усадки раствора и повышение водостойкости камня, сформированного на основе гипсоцементной смеси. Гипсоцементная тампонажная смесь содержит портландцемент, α- полугидрат сульфата кальция и гидрокарбоалюминат кальция при следующем соотношении инградиентов, мас.%: портландцемент 50-60, α- полугидрат сульфата кальция 20-25, гидрокарбоалюминат кальция - остальное. Гидрокарбоалюминат является попутным продуктом комплексной переработки нефелинов на глинозем. 1 табл.

Гипсоцементная тампонажная смесь для низкотемпературных скважин, включающая портландцемент и α-полугидрат сульфата кальция, отличающийся тем, что она дополнительно содержит гидрокарбоалюминат кальция - попутный продукт комплексной переработки нефелинов на глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 50 - 60
α-Полугидрат сульфата кальция - 20 - 25
Гидрокарбоалюминат кальция - Остальное