ОБЛЕГЧЁННАЯ ТАМПОНАЖНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2018 года по МПК C09K8/473 E21B33/138 C04B14/08 C04B14/10 C04B7/13 

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может найти применение при цементировании обсадных колонн эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, при наличии в разрезе горных пород, склонных к гидроразрыву.

Известны облегченные тампонажные композиции и тампонажные растворы на их основе, включающие портландцемент, и облегчающие добавки в виде глинопорошков [1, 2]. Использование этих добавок позволяет получить облегченный тампонажный раствор плотностью до 1,4 г/см³. Однако физико-механические показатели цементного камня, сформированного из этого раствора, существенно хуже свойств цементного камня, сформированного из чистого портландцемента.

Известны также тампонажные композиции и тампонажные растворы на их основе, включающие портландцемент и стеклянные микросферы, позволяющие получить тампонажный раствор плотностью до 1,3 г/см³ [3, 4]. Однако и в этом случае свойства цементного камня хуже, чем свойства камня из чистого портландцемента.

Известны тампонажные композиции, в которых в качестве облегчающей добавки используют различные природные минералы и горные породы с низкой плотностью [5], которые имеют тот же недостаток - низкую прочность сформированного цементного камня.

Известен тампонажный цемент, получаемый на основе портландцемента и трепела в соотношении 60:40 по массе [5]. Трепел является рыхлой осадочной тонкодисперсной опаловой породой с примесями глины, глауконита, кварца и полевых шпатов, содержащей также щелочные и щелочно-земельные катионы. При его использовании не удается получить цементный камень с прочностью, равной или выше прочности цементного камня, формируемого из чистого портландцемента.

Наиболее близким по составу заявляемой тампонажной композиции является патент США [6], в котором предлагается проницаемый цементный камень (бетон), формируемый при заканчивании нефтяной скважины креплением. В составе тампонажной композиции, применяемой для приготовления тампонажного раствора по этому патенту, имеется портладцемент и пуццолан в соотношении по весу 1:0,1-0,4. Причем одним из вариантов эквивалентной замены пуццолана предлагается чистый (мономинеральный) опал. Основным недостатком предлагаемой тампонажной композиции по прототипу является низкая прочность на сжатие формируемого на ее основе цементного камня (бетона) менее 7 МПа даже при 17 днях его твердения.

Целью настоящего изобретения является повышение прочности формируемого из облегченной тампонажной композиции цементного камня до уровня не ниже прочности камня, формируемого из бездобавочного портландцемента.

Поставленная цель достигается применением в композиции, в качестве облегчающей добавки в портландцемент, измельченного до крупности минус 80 микрон, прокаленного при 500°С природного мономинерального опала, при содержании добавки от 30 до 50% по массе. В отличие от измельченного мономинерального опала, не подвергнутого темообработке, прокаленный при 500°С мономинеральный опал обладает высокой кислотной химической активностью по отношению к портландцементу, имеющему основные свойства. В результате этого, при формировании цементного камня образуются игольчатые кристаллы волластонита, которые повышают прочность цементного камня. При использовании в композиции мономинерального опала без термообработки, в тех же соотношениях, волластонит не образуется и прочность формируемого из него цементного камня ниже, чем у бездобавочного исходного портландцемента.

Результаты сравнения физико-химических свойств цементов из предлагаемой композиции и композиции по прототипу, а также данные по исходному портландцементу приведены в таблице 1 как средние величины по трем измерениям. В качестве заявляемой добавки и добавки прототипа использовался мономинеральный опал Мирнинского месторождения (Томская область). В качестве исходного цемента в композициях и бездобавочного применялся лежалый цемент ПЦТ I-G. Помол опала проводили сначала в щековой дробилке, а затем в шаровой мельнице до крупности минус 80 микрон. У измельченного таким способом опала была измерена удельная поверхность по Блейну на приборе ПСХ-11А. Она оказалась равной 290 квадратных метров на килограмм. Часть измельченного опала дополнительно прокаливали при температуре 500°С в муфельной печи. Смешивание портландцемента и добавок выполняли в шаровой мельнице. Чтобы исключить влияние на достигаемые результаты по прочности цементного камня дополнительного измельчения компонентов на этапе смешивания, шаровую мельницу загрузили легкими шарами из агата и сократили время смешивания до 10 минут на минимальных оборотах барабана шаровой мельницы. Отсутствие дополнительного измельчения на этапе смешивания подтверждено измерениями удельной поверхности смешиваемых компонентов и готовой композиции по методу Блейна с использованием прибора ПСХ-11А. Затворение водой облегченных не термообработанным и прокаленным опалом композиций и бездобавочного цемента выполняли с водоцементным отношением, равным 0,5. Приготовление цементного теста и испытания сформированных образцов проводили в соответствии с ГОСТ 26798.1-96.

Таблица хорошо иллюстрирует достижение поставленной цели с использованием в качестве добавки прокаленного при 500°С опала и невозможность достижения ее при применении не термообработанного опала.

Таким образом, применение в качестве добавки мономинерального опала, прокаленного при температуре 500°С, обеспечивает новизну и полезность предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом и другими аналогами.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР №212914, МПК Е21В, опубл. 12.03.1968.

2. Авторское свидетельство СССР №480827, МПК Е21В 33/138, опубл. 15.02.78, бюллетень №6.

3. Вяхирев В.И., Ипполитов В.В., Леонов Е.Г. и др. Облегчающая добавка к тампонажным растворам. // Газовая промышленность. М.: Изд. "Газ-Ойль Пресс-Сервис". - 1997. - 6. - С. 21-24.

4. Патент 2141026 РФ, МПК 6 Е21В 33/138. Облегченный тампонажный раствор. - Заявл. 08.07.1997, 97111567/03. Опубл. 10.11.99. Бюл. 31.

5. Трусов С.Б. Легкие и облегченные тампонажные цементы, М., ВНИИОЭНГ, 1990. с.62.

6. Patent US 2786531 A1, 26.03.1957 (прототип).

Изобретение может найти применение в газовой и нефтяной промышленности при цементировании обсадных колонн эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, при наличии в разрезе горных пород, склонных к гидроразрыву. Технический результат – снижение плотности тампонажного раствора, приготовленного из композиции, до уровня, исключающего гидроразрыв пород, при прочности сформированного цементного камня на уровне и выше прочности цементного камня из бездобавочного портландцемента. Облегченная тампонажная композиция содержит, мас.%: портландцемент – 50-70, измельчённый и прокалённый при 500°С природный опал – остальное. 1 табл.

Облегченная тампонажная композиция, включающая портландцемент и облегчающую добавку – мономинеральный опал отличающаяся тем, что в качестве добавки используют мономинеральный опал, предварительно измельчённый до крупности менее 80 мкм и прокалённый при 500°С, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент 50-70 указанный мономинеральный опал остальное