ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ Российский патент 2021 года по МПК C09K8/467 C04B28/04 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтяных, газовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных, умеренных и повышенных температурах.

Известна композиция для получения строительных материалов (патент RU №2345968, опубликованный 10.02.2009), содержащая цемент, песок, воду и углеродный наноматериал - сажу, полученную электродуговым методом и содержащую 7,0% углеродных нанотрубок, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цемент - 20-30, наполнитель - 50-70, углеродный наноматериал - 1-2, вода - остальное.

Недостатком известной композиции является сложность промышленного производства сажи электродуговым методом в больших объемах.

Известен состав на основе минеральных вяжущих (патент RU №2233254, опубликованный 27.07.2004), включающий минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс, или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас. %): минеральное вяжущее - 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа - 0,0001-2,0; вода - остальное. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки, полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0.36 нм и размером частиц 60-200 нм или смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С₆₀.

Недостатками данного состава является сложный компонентный состав и сложность промышленного производства углеродных кластеров фуллероидного типа в больших объемах.

Известен состав на основе минеральных вяжущих (патент RU №2447036, опубликованный 10.04.2012), включающий портландцемент, песок, воду и углеродный материал, а в качестве углеродного материала содержит водную суспензию кавитационно-активированного улеродосодержащего матерала - КАУМ, в состав которого входят многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования с размерами 100000-1000000, гидрированные углеродные фрактальные структуры с размерами 1000-1000000 и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %: портландцемент - 25-50, песок - 30-60, Водная суспензия КАУМ - 0,024-0,64, вода - остальное.

Недостатками данного состава являются сложность промышленного применения, вследствие отсутствия технологии получения улеродосодержащего матерала - КАУМ в больших объемах.

Известен тампонажный материал (патент RU №2151268, опубликованный 20.06.2000), включающий портландцемент, углеродсодержащую добавку и хлорид кальция или натрия, в качестве углеродсодержащей добавки содержит технический углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 44-46, технический углерод 30-50, хлорид кальция или натрия - остальное. Технический результат - повышение седиментационной устойчивости раствора и получение электропроводного цементного камня.

Недостатком известного тампонажного материала является низкая прочность на сжатие и изгиб.

Известен тампонажный материал (авторское свидетельство SU №1645461, опубликованное 30.04.1991), принятый за прототип, используемый для крепления нефтяных и газовых скважин содержащий мас. %: алинитовый цемент 95,0-99,8, углеродсодержащий материал - 0,2-5,0. В тампонажном материале в качестве углеродсодержащего материала могут быть использованы технический углерод, отходы технического углерода, сажа, графит. Тампонажный материал позволяет получить газонепроницаемый цементный камень с повышенной прочностью сцепления с колонной.

Недостатками прототипа являются низкая сыпучесть и эффект зависания тампонажного материала в емкостях.

Техническим результатом является создание тампонажного смеси с определенными структурно-реологическими свойствами раствора, прочностными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективную изоляцию проницаемых пластов.

Технический результат достигается тем, что состав дополнительно содержит пластифицирующую добавку и воду, в качестве цемента используют портландцемент ПЦТ-I-50, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент ПЦТ-I-50 66,0-63,0 вода 33,0-31,0 технический углерод 0,1-5,0 пластифицирующая добавка остальное

В качестве пластифицирующий добавки используют клей ПВА-М «Экстра». В качестве пластифицирующий добавки используют грунтовку глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал».

Заявляемый тампонажный состав для повышения прочности цементного камня для крепления скважин включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:

портландцемент ПЦТ-I-50, выпускаемый по ГОСТ 158196 66,0-63,0; вода 33,0-31,0; технический углерод, выпускаемый по ГОСТ 7885-86 0,1-5,0; пластифицирующая добавка: клей ПВА-М «Экстра», выпускаемый по ТУ 2385-008-51309101-01 или грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» для наружных и внутренних работ, выпускаемая по ТУ 2313-037-76174671-2005 остальное.

Портландцемент марки ПЦТ-I-50 имеет ряд преимуществ, а именно повсеместную доступность, высокий темп набора прочности, раннее образование замкнутой пористости, высокую прочность цементного камня, устойчивость к воздействую умеренных и повышенных температур. Растворы из портландцемента отличаются быстрым схватыванием и быстрым твердением, особенно при умеренных и повышенных температурах. Цементные смеси на основе портландцемента значительно превосходят в этом отношении алинитовый цемент. Использование предлагаемой тампонажной смеси позволяет эффективнее связать воду и уплотнить структуру камня и, тем самым, обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность.

Технический углерод - это одна из разновидностей углеродного материал, который представляет собой высокодисперсный порошок черного цвета, получаемый при термическом разложении или при неполном сгорании углеродсодержащих веществ, преимущественно углеводородов, в температурном интервале от 1200 до 1700°С. Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и пластических масс.

Оптимальное содержание технического углерода составляет от 1,2 до 2,5 масс. %. При увеличении содержания технического углерода более 4 масс. % понижаются прочностные и проникающие характеристики цементного камня. Добавка технического углерода менее 0,5 масс. % приводит к слабой повышенному водоотделению тампонажного раствора, пониженной схватываемости цементных частиц, и пониженной прочности цементного камня, что негативно влияет на физико-механические характеристики тампонажного камня.

Пластифицирующая добавка предназначена для повышения подвижности цементной смеси и регулирования ее сроков схватывания и загустевания. Пластификаторы используются также для склеивания цементных частичек и уплотнения бетонных и растворных смесей.

Клей ПВА-М «Экстра» ТУ 2385-008-51309101-01 предназначен для применения в технологических процессах крепления скважин различного назначения с целью регулирования реологических свойств. Реагент обладает высокой клеящей способностью, используется в качестве уплотняющей и пластифицирующей добавки. Клей ПВА-М «Экстра» не обладает эффектом замедления сроков схватывания цементного раствора, сохраняет работоспособность при температурах до 210°С и не загущает раствор. Добавка характеризуется высокими адгезионными свойствами способствует плотному сцеплению камня с горной породой и обсадной колонной. Оптимальное содержание поливинилацетата составляет 2,5 масс. %. При увеличении содержания поливинилацетата более 5 масс. % наблюдаются снижение прочностных свойств, а также сцепления частичек цемента.

Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» для наружных и внутренних работ ТУ 2313-037-76174671-2005 глубоко проникает и укрепляет бетонные конструкции, улучшает сцепление покрытия с поверхностью, выравнивает впитывающую способность цемента. Реагент включает природные или синтетические, жидкие или твердые пленкообразующиеся вещества - олифы, алкидные смолы, мочевино-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. Они применяются при ремонтных работах для фасадов, стен, потолков, перекрытий, а также при отделке мебели и других предметов. Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» для наружных и внутренних работ пожаро- и взрывобезопасна, не имеет неприятного запаха. Использование грунтовки помогает достичь высокопрочного соединения окрашиваемой поверхности с краской или лаком. Реагент защищает окрашиваемую поверхность от коррозии и отслаивания. Кроме того, грунтовки могут выполнять и другие функции: защищать металл от коррозии, перекрывать поры и другие дефекты окрашиваемой поверхности, а также обеспечивать адгезионное сцепление в системах антикоррозионной защиты металла, дерева и бетона, также защита поверхностей от плесени и грибка. Кроме того, данная добавка легкодоступна и имеет низкую стоимость.

Оптимальное содержание грунтовки составляет 2,5 масс. %. При увеличении содержания поливинилацетата более 5 масс. % наблюдаются снижение структурно-реологических свойств тампонажного раствора.

Тампонажная смесь приготавливается следующим образом. Вначале для регулирования показателя растекаемости необходимо перемешать жидкие составляющие: воду, пластифицирующую добавку в виде поливинилацетата с массовой долей 0-3% или грунтовки с массовой долей 0-3% в течение 15-30 сек. Во вторую очередь добавить технический углерод с массовой долей 0,5-4%, продолжая перемешивание в течение 15-30 сек. После чего добавить цемент ПЦТ-I-50 с водоцементным соотношением 0,5. Полученный состав перемешивать в течение 3-5 мин.

Пример 1. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица 1, состав 3) необходимо 64,93 мас. % ПЦТ-I-50; 32,47 мас. % воды; 2,60 мас. % технического углерода. В первую очередь необходимо смешать воду с техническим углеродом в течение 15-30 сек. Далее из приготавливают тампонажный раствор путем добавления цемента при водоцементном отношении 0,5. После перемешивания в течение 3-5 мин определяют плотность (г/см3), растекаемость (мм), водоотделение (мл), время загустевания до консистенции 30 Вс, (мин) полученного раствора . Оставшуюся часть раствора смеси заливают в формы для определения предела прочности камня (МПа) при одноосном сжатии, хранят при температуре 22°C в течение 1, 3, 10 суток.

Приготовленный тампонажный раствор имеет плотность 1,87 г/см3, растекаемость 220 мм, водоотделение 1,2 мл, время загустевания до консистенции 30 Вс 305 мин, предел прочности цементного камня при одноосном сжатии составляет при сжатии 14,9; 25,07; 31,23 Мпа после 1, 3, 10 суток твердения.

Составы и структурно-реологические результаты заявляемой тампонажной смеси приведены в таблице 1. Полученные результаты прочностных испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 1 - состав и структурно-реологические результаты заявляемой тампонажной смеси.

№ Состав, мас. % Плотность, г/см3 Растекаемость, мм Водоотделение, мл Время загустевания до консистенции 30 Вс, мин ПЦТ-I-50 Технический углерод Клей ПВА-М «Экстра» Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» Вода 1 1 2 3 4 4 5 6 7 8 1 65,79 1,32 - - 32,89 1,86 230 2,35 330 2 64,1 1,28 2,57 - 32,05 1,87 200 1,80 270 3 64,93 2,6 - - 32,47 1,87 220 1,20 305 4 63,29 2,53 2,53 - 31,65 1,82 200 0,85 240 5 63,29 2,53 - 2,53 31,65 1,78 240 1,05 290 6 64,1 3,85 - - 32,05 1,89 190 0,95 300

Пример 2. Технический углерод в количестве 1,28 мас. % смешивают с клеем ПВА-М «Экстра» 2,57 мас. % и водой 32,05 мас. %. В раствор добавляют портландцемент марки ПЦТ-I-50 в количестве 64,10 мас. %. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы. Раствор приготавливают также, как в примере 1.

Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 3. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):

Портландцемент ПЦТ-I-50 64,93 Вода 32,47 Технический углерод 2,60

Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 4. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):

Портландцемент ПЦТ-I-50 63,29 Вода 31,65 Технический углерод 2,53 Клей ПВА-М «Экстра» 2,53

Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 5. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):

Портландцемент ПЦТ-I-50 63,29 Вода 31,65 Технический углерод 2,53 Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» 2,53

Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 6. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):

Портландцемент ПЦТ-I-50 64,10 Вода 32,05 Технический углерод 3,85

Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.

Применение предлагаемого тампонажного раствора позволит расширить область применения тампонажной смеси и обеспечить длительное надежное крепление обсадных колонн при нормальных, умеренных и повышенных температурах и повысить прочность адгезионного сцепления тампонажной смеси с горной породой и обсадной колонной.

Таблица 2 - результаты прочностных испытаний.

№ Предел прочности на одноосное сжатие цементного камня, МПа 20°С 75°С 1 сутки 3 суток 10 суток 1 сутки 3 суток 10 суток 1 2 3 4 5 6 7 1 11,14 22,43 25,45 10,48 20,17 24,20 2 9,31 18,11 22,97 8,59 17,30 21,03 3 14,90 25,07 31,23 12,98 23,91 28,72 4 9,08 15,56 22,17 7,43 13,56 18,92 5 10,95 19,75 24,80 9,61 15,95 22,57 6 7,49 15,04 19,65 7,02 14,52 18,62

Таким образом, заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях нормальных, умеренных и повышенных температур.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтяных, газовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных, умеренных и повышенных температурах. Тампонажный состав включает цемент портландцемент ПЦТ-I-50, технический углерод, пластифицирующую добавку и воду. В качестве пластифицирующей добавки используют клей ПВА-М «Экстра» или грунтовку глубокого проникновения 2-в-1 «Универсал». Заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях нормальных, умеренных и повышенных температур. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Тампонажный состав, включающий цемент, технический углерод, отличающийся тем, что дополнительно содержит пластифицирующую добавку и воду, в качестве цемента используют портландцемент ПЦТ-I-50, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент ПЦТ-I-50 66,0-63,0 Вода 33,0-31,0 Технический углерод 0,1-5,0 Пластифицирующая добавка остальное

2. Тампонажный состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используют клей ПВА-М «Экстра».

3. Тампонажный состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используют грунтовку глубокого проникновения 2-в-1 «Универсал».