РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 2014 года по МПК C09K8/467 

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин.

Известны расширяющиеся тампонажные растворы (материалы) из расширяющихся цементов, а также тампонажные растворы, содержащие портландцемент тампонажный и порошок магнезитовый каустический [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, с. 161-162. Каримов Н.Х., Данюшевский B.C., Рахимбаев Ш.М. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов. Обз. информ. Сер. "Бурение". М.: ВНИИОЭНГ, 1980, с. 23].

Недостатками известных составов являются незначительное расширение тампонажного раствора и камня и низкая прочность контакта тампонажного камня с металлом обсадных труб и горными породами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения - воду, и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, понизителя показателя фильтрации - гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора - поликарбоксилата, пеногасителя, расширяющей добавки, ускорителя времени загустевания и сроков схватывания - хлорида кальция. Основа дополнительно содержит алюмосиликатную пуццолановую добавку метакаолин, а в качестве расширяющей добавки - продукт совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Al₂O₃ - 0-4; Fe₂O₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5; в качестве пеногасителя основа содержит полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент 91,8-94,2 указанный понизитель фильтрации 0,15-0,3 указанный пластификатор 0,2-0,3 указанная расширяющая добавка 3,0-5,0 указанный пеногаситель 0,01-0,03 метакаолин 0,5-2,0 хлорид кальция 0,5-2,5

а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,48-0,64 (патент РФ №2452758 от 10.06.2012 г.). Данный раствор принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - жидкость затворения - вода; основа, состоящая из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Al₂O₃ - 0-4; Fe₂O₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5.

Недостатками известного тампонажного раствора являются низкие прочностные показатели и недостаточное линейное расширение у формирующегося цементного камня, что может привести к неплотному контакту цементного камня с горными породами и обсадной колонной.

Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном расширяющемся тампонажном растворе с регулируемыми технологическими свойствами, содержащем жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%:

CaO+MgO 72-91 SiO₂ 7-23 Al₂O₃ 0-4 Fe₂O₃ 0-2,5 прочие примеси 0-4,5,

согласно изобретению основа дополнительно содержит диабазовую муку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный 93,7-93,85 Гидрооксиэтилцеллюлоза 0,15-0,23 Пластификатор поликарбоксилат 0,08-0,12 Полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07 0,02-0,06 Расширяющая добавка ДРС-НУ 3,95-4,0 Метакаолин 0,45-0,54 Диабазовая мука 1,05-1,26 Хлорид кальция 0,45-1,0

а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.

Отличительные признаки заявляемого раствора от раствора по прототипу - основа дополнительно содержит диабазовую муку; а также иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас.%: портландцемента тампонажного - 93,7-93,85; гидроксиэтилцеллюлозы - 0,15-0,23; пластификатора поликарбоксилата - 0,8-0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 - 0,02-0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ - 3,95-4,0; метакаолина - 0,45-0,54; диабазовой муки - 1,05-1,26; хлорида кальция - 0,45-1,0; содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора ингредиентов (качественного и количественного) в заявляемом расширяющемся тампонажном растворе.

Благодаря введению в тампонажный материал понизителя показателя фильтрации гидроксиэтилцеллюлозы обеспечиваются пониженные показатели фильтрации, исключаются седиментационные процессы, в результате чего отсутствует водоотделение у получаемых тампонажных растворов.

В качестве расширяющей добавки предлагается использовать продукт совместного помола доменного шлака и негашеной извести марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Al₂O₃ - 0-4; Fe₂O₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5. Таким образом, в тампонажном растворе будет происходить так называемое оксидное расширение за счет повышенной концентрации в растворе оксидов кальция и магния.

Ввод указанной расширяющей добавки в тампонажный раствор позволит повысить линейное расширение тампонажного камня до 3,2%.

Ввод в заявляемый тампонажный раствор пластификатора - поликарбоксилата позволяет повысить его подвижность, что приводит к более полному заполнению затрубного пространства тампонажным раствором при проведении цементировочных работ.

Ввод в заявляемый тампонажный раствор пеногасителя - полигликоля марки ПЛАСТЭК ПГ-07 обеспечивает снижение пенообразования и удаления из раствора, вовлеченного при затворении воздуха, что оказывает влияние на плотность тампонажного раствора, кроме того, обеспечивает формирование плотного, малопроницаемого цементного камня, формирующегося при твердении, и нормальную работу цементировочного оборудования.

В качестве реагента ускорителя времени загустевания и сроков схватывания используется хлористый кальций. Подобранные концентрации указанного реагента позволяют получить тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося расширяющегося цементного камня.

Лабораторные исследования показали, что ввод в тампонажный раствор метакаолина и диабазовой муки - реагентов, повышающих раннюю прочность и адгезию цементного камня, позволяет получить цементный камень с высокими показателями адгезии с сопредельными средами, а также высокие прочностные показатели уже на ранней стадии твердения 1-2 суток. Ранняя прочность тампонажного камня возрастает на 15…20%.

Для получения предлагаемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

- портландцемент тампонажный марки ПЦТ IG-СС-1;

- гидроксиэтилцеллюлоза марки Natrosol HHR по ТУ 2231-001-21095737-05;

- пластификатор на основе поликарбоксилата ПЛАСТЭК С7/531 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);

- ускоритель времени загустевания и сроков схватывания хлорид кальция;

- полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);

- метакаолин - аллюломосиликатная пуццолановая добавка марки МЕТАСЕМ 85С, характеризуется следующими показателями: порошок от кремового до бежевого цвета; удельная поверхность - 15 м²/г; пуццолановая активность - более 1000 мг Ca(OH)₂/г; плотность - 2,5 г/л; насыпная плотность - 300÷400 г/л; - (по импорту, производство Индия);

- диабазовая мука по ТУ 5716-001-41257914-2009;

- расширяющая добавка на основе оксидов кальция и магния марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 (изготовитель ООО «НИКОЙЛ») со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Al₂O₃ - 0-4; Fe₂O₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5;

- вода техническая.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример.

Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях брали 937,0 г портландцемента тампонажного; 1,7 г гидроксиэтилцеллюлозы; 4,5 г метакаолина; 10,5 г диабазовой муки; 40 г расширяющей добавки на основе оксидов кальция и магния; 0,3 г пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ-07; 1,0 г пластификатора ПЛАСТЭК С7/531; 5 г хлорида кальция. В результате была получена основа тампонажного раствора со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 93,7; гидроксиэтилцеллюлоза марки НАТРОСОЛ HHR 0,17; метакаолин 0,45; диабазовая мука 1,05; расширяющая добавка ДРС-НУ 4,0; пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ07 0,03; пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 0,10; хлорид кальция 0,5.

Далее из указанной основы готовили тампонажный раствор путем затворения ее на технической воде при водосмесевом отношении 0,49, т.е. при этом брали 1000 г основы и затворяли ее в 490 г воды.

Тампонажные растворы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.

В преимущественном варианте приготовления предлагаемого тампонажного раствора ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 и пеногаситель ПЛАСТЭК ПГ07 рекомендуется предварительно растворять в жидкости затворения - воде.

В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства заявляемого тампонажного раствора: плотность, растекаемость, показатель фильтрации, водоотделение; а также определяли следующие свойства цементного камня: линейное расширение; предел прочности при изгибе; усилие выталкивания образцов.

Данные об ингредиентном составе исследованных тампонажных растворов приведены в таблице 1. А данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре и по известной рецептуре, приведены в таблице 2.

Как видно из данных таблицы 2, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств по сравнению с прототипом:

- наличием большего расширения цементного камня;

- повышенной адгезией цементного камня с сопредельными средами;

- повышенной прочностью при изгибе.

Благодаря указанным свойствам, заявляемые тампонажные растворы позволят в промысловых условиях более полно вытеснять буровой раствор тампонажным, получить герметичную крепь обсадной колонны в стволе скважины за счет формирования прочного цементного камня, имеющего за счет расширения сплошной контакт как с обсадными трубами, так и с горными породами.

* Состав указанной расширяющей добавки, мас.%:

- в примере 1: CaO+MgO - 83,4; SiO₂ - 12,3; Al₂O₃ - 1,5; Fe₂O₃ - 0,7; прочие примеси - 2,1,

- в примере 2: CaO+MgO - 82,8; SiO₂ - 12,6; Al₂O₃ - 2,2; Fe₂O₃ - 0; прочие примеси - 2,4,

- в примере 3: CaO+MgO - 89,7; SiO₂ - 7,9; Al₂O₃ - 0; Fe₂O₃ - 1,9; прочие примеси - 0,5.

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин. Расширяющийся тампонажный раствор содержит жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, диабазовой муки и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Аl₂О₃ - 0-4; Fe₂О₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5 при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемента тампонажного - 93,70-93,85; гидроксиэтилцеллюлозы - 0,15-0,23; пластификатора поликарбоксилата - 0,8-0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 - 0,02-0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ - 3,95-4,0; метакаолина - 0,45-0,54; диабазовой муки - 1,05-1,26; хлорида кальция - 0,45-1,0. Содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора. 2 табл.

Расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%:
CaO+MgO 72-91 SiO₂ 7-23 Al₂O₃ 0-4 Fe₂O₃ 0-2,5 прочие примеси 0-4,5