Тампонажный состав Российский патент 2024 года по МПК C09K8/467 

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

Известен тампонажный материал (патент RU 2151268 C1, 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 состав на основе минеральных вяжущих (патент RU 2447036 C1, 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 Å-1000000 Å, гидрированные углеродные фрактальные структуры с размерами 1000 Å-1000000 Å и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 Å 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 (авторское свидетельство SU 1645461, опубликованное 30.04.1991) 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 известного материала являются низкая сыпучесть и эффект зависания тампонажного материала в емкостях.

Известен состав на основе минеральных вяжущих (патент RU 2233254 C2, 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.

В качестве прототипа выбран тампонажный материал, используемый при строительстве нефтяных и газовых скважин (Цыгельнюк Е.Ю., Ковальчук В.С. Экспериментальное исследование свойств тампонажных составов на основе глиноземистого цемента с добавлением углеродного модификатора, Научно- технический журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море» 9(345) Сентябрь 2021г.), включающий глиноземистый цемент ГЦ-40, графит и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент - 48,0-50,0, графит - 0,0-2,0, вода – остальное [1].

Недостатками данного тампонажного материала являются высокие подвижность, водоотделение и водоотдача тампонажного раствора, особенно на раннем сроке загустевания цементной смеси.

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

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

глиноземистый цемент ГЦ-40, выпускаемый по ГОСТ 969-91 66,42-66,44 фуллереновая сажа, полученная электродуговым методом 0,07-0,34 вода остальное вода остальное

Глиноземистый цемент марки ГЦ-40 имеет ряд преимуществ, а именно повсеместную доступность, высокий темп схватываемости, пониженную контракцию, пониженные водоотделение и водоотдачу, устойчивость к воздействую пониженных и умеренных температур. Растворы из глиноземистого цемента отличаются быстрым схватыванием и медленным твердением, особенно при пониженных и нормальных температурах. Цементные смеси на основе глиноземистого цемента значительно превосходят в этом отношении портландцемент. Использование предлагаемой тампонажной смеси позволяет эффективнее связать воду и уплотнить структуру камня и, тем самым, обеспечить его повышенную долговечность в условиях пониженных и нормальных температур, без негативного воздействия на процесс гидратации цемента.

Фуллереновая сажа (ФС) - продукт первого этапа производства углеродных наноматериалов - фуллеренов. С момента изобретения в 1991 г. электродугового метода получения фуллеренов в макроскопических количествах [2], этот способ почти не претерпел изменений. В процессе эрозии графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере защитного газа образуется сажа с большим количеством различных по форме кластеров фуллероидного типа. Особо стоит отметить, что графит, используемый для производства электродов, имеет высокую спектральную чистоту с минимальным количеством примесей (<<200 ppm). Суммарное содержание фуллеренов в саже составляет 8 ± 2 мас. %, из которых соотношение количества молекул С60 к С70 3:1 и меньше 2% высших фуллеренов. Основными структурными единицами ФС являются графитоподобные нанокристаллиты в виде дефектных и искаженных пачек гексагональных углеродных сеток [3]. ФС обладает большой удельной поверхностью (десятки и сотни м²/г) и нормальным распределением по размеру частиц в диапазоне 10 нм - 150 мкм [4].

Оптимальное содержание фуллереновой сажи составляет от 0,07 до 0,34 масс.%. При увеличении содержания технического углерода более 0,34 масс.% понижаются прочностные и проникающие характеристики цементного камня. Добавка фуллереновой сажи менее 0,07 масс.% не приводит к значительному улучшению эксплуатационных свойств тампонажного раствора. Наблюдается повышенные водоотдача и водоотделение, а также повышенная проницаемость цементного камня.

Тампонажная смесь приготавливается следующим образом. Вначале для регулирования гомогенности сухих компонентов необходимо перемешать порошкообразные составляющие: цемент и фуллереновую сажу в течение 1-3 минут. Затем в тару с подготовленной водой перемешивать в течении 15 секунд, после чего добавить смесь цемента и ФС. Продолжать перемешивание в течение 3-5 минут по ГОСТ 34532-2019.

Пример 1. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица 1, состав 3) необходимо 66,53 мас.% ГЦ-40; 33,27 мас.% воды; 0,20 мас.% фуллереновой сажи. В первую очередь необходимо смешать цемент с фуллереновой сажей в течение 1-3 мин. Далее из воды и смеси приготавливают тампонажный раствор путем добавления цемента с ФС при водоцементном отношении 0,5. После перемешивания в течение 3-5 мин определяют плотность (г/см3), растекаемость (мм), водоотделение (мл), водоотдачу (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 в водной среде при температуре 27°C или при температуре 7°C в течение 10 суток.

Приготовленный тампонажный раствор имеет плотность 1,85 г/см3, растекаемость 220 мм, водоотделение 1,3 мл, время загустевания до консистенции 30 Вс 300 мин, предел прочности цементного камня при одноосном сжатии составляет при сжатии 6,01; 11,69; 20,64 МПа и 6,43; 8,16; 13,92 МПа после 1, 3, 10 суток твердения при температуре 27°C и 7°C, соответственно.

Составы и структурно-реологические результаты заявляемой тампонажной смеси приведены в таблице 1. Полученные результаты прочностных испытаний и исследований пористости приведены в таблицах 2 и 3.

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 ГЦ-40 Фуллереновая сажа Вода 1 1 2 4 5 6 7 9 1 66,67 - 33,33 1,83 230 2,35 330 2 66,62 0,07 33,31 1,85 220 1,85 310 3 66,53 0,20 33,27 1,84 220 1,40 300 4 66,44 0,34 33,22 1,82 210 1,20 285

Пример 2. Фуллереновую сажу в количестве 0,07 мас.% смешивают глиноземистым цементом марки ГЦ-40 66,62 мас.% и водой 33,31 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.%):

Глиноземистый цемент ГЦ-40 66,44 Вода 33,22 Фуллереновая сажа 0,34

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 пониженных и нормальных 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 27°С 7°С 1 сутки 3 суток 10 суток 1 сутки 3 суток 10 суток 1 2 3 4 5 6 7 1 4,86 7,45 18,97 5,20 7,32 13,57 2 5,53 9,62 18,05 6,59 8,30 13,03 3 6,01 11,69 20,64 8,95 9,91 14,72 4 5,88 10,97 20,05 6,43 8,16 13,92

Таблица 3 - результаты исследования пористости.

№ Объем закрытых пор, мм³ Объем открытых пор, мм³ Общий объем порового пространства, мм³ Закрытая пористость, % Открытая пористость, % Общая пористость, % 1 2 3 4 5 6 7 1 9,13 8,20 17,33 2,65 1,91 4,55 2 9,65 6,95 16,60 2,70 1,80 4,50 3 10,50 4,39 14,90 2,74 0,92 3,66 4 10,82 2,19 13,01 2,73 0,61 3,34

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

Список литературы:

1. Цыгельнюк Е.Ю., Ковальчук В.С. Экспериментальное исследование свойств тампонажных составов на основе глиноземистого цемента с добавлением углеродного модификатора, Научно-технический журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море» 9(345) Сентябрь 2021г.

2. Kraetschmer, W., Lamb, L. D., Fostiropoulos, K. and Huffman, D., “Solid C60 A New Form of Carbon”, Nature, Vol. 347, (1990), 354-358, doi:10.1038/347354a0.

3. Кинле, Х. и Бадер, Э. “Активные угли и их промышленное применение”, Л., Химия, (1984). [Пер. с нем.: H. von Kienle, E. Bader. “Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung”, Stuttgart, Ferdinand Enke Verlag, (1980)]

4. Nimibofa, A., Ebelegi, A., Abasi, C. and Donbebe, W. “Fullerenes: Synthesis and Applications”, Journal of Materials Science Research, 7, (2018), DOI: 10.5539/jmsr.v7n3p22.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при пониженных и нормальных температурах. Техническим результатом является создание тампонажной смеси с определенными структурно-реологическими свойствами раствора, прочностными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективную изоляцию проницаемых пластов в условиях пониженных и нормальных температур. Тампонажный состав включает глиноземистый цемент ГЦ-40, углеродный модификатор и воду. В качестве углеродного модификатора состав содержит фуллереновую сажу при следующем соотношении компонентов, мас.%: глиноземистый цемент ГЦ-40 – 66,42-66,44, фуллереновая сажа – 0,07-0,34, вода - остальное. 3 табл., 3 пр.

Тампонажный состав, включающий глиноземистый цемент ГЦ-40, углеродный модификатор и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве углеродного модификатора фуллереновую сажу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Глиноземистый цемент ГЦ-406 Глиноземистый цемент ГЦ-4066,42-66,44 Фуллереновая сажа 0,07-0,34 Вода остальное