Поризованный расширяющийся тампонажный материал Российский патент 2024 года по МПК C09K8/46 C04B28/04 C04B111/76 

Предлагаемое изобретение относится к тампонажным материалам для цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах, осложненных наличием проницаемых, трещиноватых и многолетнемерзлых пород.

Известна гипсоцементная тампонажная смесь включающая портландцемент 50-60, α- полугидрат сульфата кальция 20-25 и гидрокарбоалюминат кальция - остальное, (патент RU 2127798 С1, «ГИПСОЦЕМЕНТНАЯ ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ», Е21В 33/138, опубл. 20.03.1999).

Недостатком данной тампонажной смеси является вероятность преждевременного схватывания приготавливаемого тампонажного раствора, низкая коррозионная стойкость и водостойкость тампонажных камней из-за высокого содержания неводостойкого гипса, что существенно сокращает срок эксплуатации скважин.

Известен аэрированный цементный раствор, содержащий минеральное вяжущее 43-79, порообразователь - отход производства сульфанола 0,05-0,5, воздух 0,01-0,1, вода остальное, (патент RU 2084427 С1, «АЭРИРУЕМЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ РАСТВОР», С04В 38/02, Е21В 33/138, опубл. 20.07.1997)

Недостатком аэрированного цементного раствора является неконтролируемая во внутриколонных и заколонных пространствах плотность образующейся пены, низкая прочность и усадочность цементных камней, приводящая к устранению напряженного контакта как с колонами, так и с породами.

Задачей предполагаемого изобретения создание такого тампонажного материала, при использовании которого обеспечивалось бы повышение качества первичного цементирования обсадных колонн.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении качества первичного цементирования обсадных колонн в условиях отрицательных, низких положительных и нормальных температур за счет устранения негерметичности заколонных и межколонных пространств, ликвидации заколонных перетоков и межколонных давлений во время эксплуатации скважин, что достигается за счет применения седиментационно - устойчивого поризованного тампонажного раствора с регулируемыми сроками схватывания и образования прочного камня с большой (5% и более) величиной объемного расширения, создающего напряженный контакт как с колоннами, так и с породами в заколонных и межколонных пространствах. То есть указанный технический результат обеспечивается за счет ускорения сроков схватывания тампонажного раствора, содержащего смесь минеральных вяжущих при отрицательных, низких положительных и нормальных температурах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявляемый поризованный расширяющийся тампонажный материал содержит бездобавочный портландцемент ПЦТ I-50, облегчающие и расширяющие компоненты, в качестве которых используют низкотемпературный керамзит, строительную гидравлическую известь, воздухововлекающую добавку, в качестве которой используют алкилсульфат натрия, суперпластификатор MELFLUX 1641 F, жидкость затворения, в качестве которой используют техническую воду, а также дополнительно, в качестве регулятора сроков схватывания, содержит диспергирующий глинозем, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

бездобавочный портландцемент 72,0 68,0 низкотемпературный керамзит 15-20 строительная гидравлическая известь 8-10 диспергирующий глинозем 5,0-2,0 алкилсульфат натрия 0,001-0,004 MELFLUX 1641 F 0,03 0,07 техническая вода остальное,

при этом жидкость затворения, суперпластификатор и воздухововлекающую добавку добавляют в состав сверх 100%.

Для приготовления предлагаемого тампонажного раствора применяют следующие компоненты:

- ПЦТ I-50 - портландцемент тампонажный бездобавочный для низких и нормальных температур по ГОСТ 1581 - 2019;

- строительная гидравлическая известь - тонкомолотый продукт умеренного обжига (1000 - 1100°С) мергелистых известняков, содержащих до 20% глинистых примесей. ГОСТ 9179-2018;

алкилсульфат натрия - поверхностно-активное вещество воздухововлекающего действия. Химическая формула: Ci2H2sS04Na (натриевая соль сульфоэфира высших органических спиртов с различной длиной алкильной цепи);

- MELFLUX 1641 F - суперпластификатор (модифицированный полиэфиркарбоксилат), производитель BASF Construction Additives;

- диспергирующий глинозем по ГОСТ 30558-98 (безводный Al₂O₃ в виде белого мелкокристаллического порошка).

Поризованный расширяющийся тампонажный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: бездобавочный портландцемент 72,0 - 68,0, низкотемпературный керамзит 15 - 20, образованный в процессе обжига при температуре 1050°С вскрышной глинистой породы, строительную гидравлическую известь 8-10, воздухововлекающую добавку - алкилсульфат натрия 0,001 - 0,004, диспергирующий глинозем 5,0 - 2,0, суперпластификатор - MELFLUX 1641 F 0,03 - 0,07, жидкость затворения - техническую воду с рН в пределах 6,5 - 8,5.

Дополнительное введение в состав поризованного расширяющегося тампонажного материала противоморозной воздухововлекающей добавки -алкилсульфата натрия, позволяет получать при приготовлении седиментационно - устойчивый тампонажный раствор с изменяемой плотностью, в зависимости от частоты вращения лопастей мешалки, за счет образования мелких воздушных пузырьков. Действие алкилсульфата натрия направлено на обволакивание частичек раствора и образование замкнутой поризованной структуры. Вовлечение воздуха происходит на стадии перемешивания тампонажного раствора. В этом случае реализуются как бы две стадии. Одна из них заключается в захвате воздуха из атмосферы при перемешивании, который затем диспергируется на пузырьки меньших размеров при увеличении сдвиговых нагрузок, зависящих от конструкции перемешивателей. На второй стадии тонкодисперсные минеральные компоненты образуют прочную оболочку вокруг мельчайших пузырьков, препятствующую их агрегации и образованию воздушных пузырей. Воздушные пузырьки, равномерно распределенные в объеме поризованного тампонажного раствора, не схлопываются под действием давлений, повышая его седиментационную устойчивость и пластичность.

Оксид алюминия является одним из основных оксидов, обеспечивающих изменение минералогической структуры поризованного расширяющегося тампонажного материала. В процессе гидратации тонкодисперсные компоненты тампонажного материала - бездобавочный портландцемент, обожженная глинистая порода, строительная гидравлическая известь и глинозем диспергирующий, за счет высокой химической активности, быстро переходят в раствор, что приводит к образованию гидроалюминатов кальция (САН₁₀, С₂АН₈, С₃АН₆ и др.) разной основности по схеме:

Наличие в растворе Са(ОН)₂ и CaSO₄ способствует образованию гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) по реакции:

3СаО⋅Al₂O₃⋅6H₂O + 3 CaSO₄⋅2H₂O + 19 H₂O → 3CaO⋅Al₂O₃⋅3CaSO₄⋅3lH₂O

Образовавшиеся в начальный период гидратации эттрингит, гидроалюминаты кальция разной основности, гидроксид алюминия сохраняются в затвердевшем тампонажном камне в течение длительного времени при отрицательных, низких положительных и нормальных температурах твердения, перекристаллизации гидратных соединений не происходит, что обуславливает сокращение сроков схватывания тампонажного раствора, рост прочности и объемное расширение образовавшегося камня.

Высокая степень гидратации поризованного расширяющегося тампонажного материала с добавкой диспергирующего глинозема обеспечивает ускоренное твердение тампонажного камня в ранний период времени, низкую пористость и большую (5% и более) величину объемного расширения.

Определение основных технологических свойств поризованного тампонажного раствора и физико-механических параметров камня проводили при температурах +20, +5, - 2°С и давлении 0,1 МПа в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».

Поризованный расширяющийся тампонажный материал приготавливали следующим способом. В качестве без добавочного портландцемента использован ПЦТ1-50 Вольского цементного завода. Сухая смесь с заданным соотношением порошкообразных компонентов готовилась путем ручного перемешивания. Затем на водном растворе при В/Ц = 0,60 производилось затворение сухой смеси и перемешивание полученного раствора в чаше с интенсивностью не более 60 об/мин (ручное перемешивание) в течение 3 минут, далее замерялась плотность полученной суспензии, которая позволяла гарантированно предотвращать гидроразрыв пород даже при больших расходах в заколонных пространствах при продавках. Затем этот раствор перемешивался с интенсивностью 1500 об/мин в течение 3 минут с использованием лабораторной верхнеприводной мешалки STEGLER МВ-6 согласно ГОСТ 26798.1-96. В ходе лабораторных испытаний определяли технологические свойства раствора и физико-механические параметры камней. Результаты исследования представлены по среднеарифметическим значениям испытаний трех образцов.

Раствор по патенту RU 2084427 С1 также приготовлен в условиях лаборатории и измерены его технологические свойства и физико-механические параметры камня.

Состав №1: 72% ПЦТ I - 50 + 15% низкотемпературного керамзита + 8% строительной гидравлической извести + 5% диспергирующего глинозема + 0,003% алкилсульфат натрия + 0,07% MELFLUX 1641 F.

Состав №2: 69% ПЦТ I - 50 + 20% низкотемпературного керамзита + 8% строительной гидравлической извести+3% диспергирующего глинозема + 0,003% алкилсульфат натрия + 0,06% MELFLUX 1641 F.

Составы №№3-4 (близкий по количественному составу к заявленному тампонажному составу): 75% ПЦТ I - 50 + 15% низкотемпературного керамзита + 8% строительной гидравлической извести+2% диспергирующего глинозема + 0,004% алкилсульфат натрия + 0,04% MELFLUX 1641 F.

Состав по патенту RU 2084427 С1: 100% ПЦТ I-G-CC1 + 0,5% сульфанола + 0,1% воздух.

Пример (приготовление состава №3).

Отвесить на лабораторных весах (электронных или механических) следующие компоненты: 750 г ПЦТ I - 50, 150 г низкотемпературного керамзита, 80 г строительной гидравлической извести, 20 г диспергирующего глинозема, 4 г алкилсульфат натрия, 40 г MELFLUX 1641 F. Перемешать порошкообразные компоненты для получения однородной смеси. Отмерить 600 мл жидкости затворения (пресная вода). Произвести перемешивание тампонажного раствора.

Технологические свойства поризованного расширяющегося тампонажного раствора в сравнении с прототипом приведены в таблице.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что заявленный тампонажный материал с оптимальным содержанием компонентов имеет регулируемые сроки схватывания, а формирующийся тампонажный камень обладает требуемой прочностью и большой (5% и более) величиной объемного расширения при температурах твердения до 50°С, в отличие от известных тампонажных растворов - камней аналогичного назначения.

Использование поризованного расширяющегося тампонажного материала обеспечит повышение качества первичного цементирования обсадных колонн в условиях отрицательных, низких положительных и нормальных температур, за счет подъема тампонажного раствора до устья при снижении плотности тампонажного раствора (до 1700 кг/м³ и ниже) и образования в относительно короткие сроки камня с большой величиной объемного расширения.

Количественное соотношение компонентов определяется в соответствии с горно-геологическими условиями применения.

Преимуществами заявляемого тампонажного материала является то, что его раствор имеет оптимальные сроки схватывания, которые можно целенаправленно регулировать в температурном диапазоне до 50°С, а формирующийся камень при этом обладает высокой прочностью и большой (5% и более) величиной объемного расширения, что повышает качество первичного цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах.

Изобретение относится к тампонажным материалам для цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах, осложненных наличием проницаемых, трещиноватых и многолетнемерзлых пород. Технический результат заключается в повышении качества первичного цементирования обсадных колонн в условиях отрицательных, низких положительных и нормальных температур. Поризованный расширяющийся тампонажный материал, включающий в себя бездобавочный портландцемент ПЦТ I-50, облегчающие и расширяющие компоненты, в качестве которых используют низкотемпературный керамзит, строительную гидравлическую известь, воздухововлекающую добавку, в качестве которой используют алкилсульфат натрия, а также суперпластификатор MELFLUX 1641 F, жидкость затворения, в качестве которой используют техническую воду, и дополнительно, в качестве регулятора сроков схватывания, диспергирующий глинозем, при следующем соотношении компонентов, мас.%: бездобавочный портландцемент 68,0-72,0, низкотемпературный керамзит 15-20, строительная гидравлическая известь 8-10, диспергирующий глинозем 2,0-5,0, алкилсульфат натрия 0,001-0,004; MELFLUX 1641 F 0,03-0,07, техническая вода - остальное, при этом жидкость затворения, суперпластификатор и воздухововлекающую добавку добавляют в состав сверх 100%. 1 табл.

Поризованный расширяющийся тампонажный материал, включающий в себя бездобавочный портландцемент ПЦТ I-50, облегчающие и расширяющие компоненты, в качестве которых используют низкотемпературный керамзит и строительную гидравлическую известь, воздухововлекающую добавку, в качестве которой используют алкилсульфат натрия, а также суперпластификатор MELFLUX 1641 F, жидкость затворения, в качестве которой используют техническую воду, и дополнительно, в качестве регулятора сроков схватывания, диспергирующий глинозем, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

бездобавочный портландцемент ПЦТ I-50 68,0-72,0 низкотемпературный керамзит 15-20 строительная гидравлическая известь 8-10 диспергирующий глинозем 2,0-5,0 алкилсульфат натрия 0,03-0,07 техническая вода остальное,

при этом жидкость затворения, суперпластификатор и воздухововлекающую добавку добавляют в состав сверх 100%.