Расширяющийся тампонажный материал Советский патент 1985 года по МПК E21B33/138 

СО 4 1

Изобретение относится к области глубокого бурения, в частности к тампонажным материалам, предназначенным для цементирования нефтяных и газовых скважин.

Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий в качестве расширяющего компонента окись кальция СаО и окись магния MgO.

Расширяющийся тампонажный материал содержит, вес. ч.:

Пыль электрофильтров 5-10

Цементосодержащий

компонент, включающий

СаО, обожженные доломитизированные отходы

обогащения полиметаллических руд15-20

Компонент, содержащий

MgO и в активной форме

фосфорный шлакОстальное

Известный расширяющийся тампонажный материал используется при цементировании высокотемпературных скважин при температуре более 120°С и содержит в сумме окиси кальция и магния до 40°/о.

Его получают в виде тонкодисперсного порошка обжигом при 950-1050°С.

Совместное присутствие окисей кальция и магния в активной форме позволяет получить расширение около 2%.

Однако при цементировании глубоких нефтяных и газовых скважин (в условиях гидростатического давления) при доставке раствора в заколонное пространство в процессе его перемешивания и под действием гидравлического давления величина расширения значительно уменьщается.

Из-за малой величины расширения не создается достаточного уплотнения глинистой корки на стенках скважины и обсадной колонне; поэтому при деформации обсадной колонны от температурных колебаний и изменения давления в колонне, происходит отрьй ее от цементного камня и вокруг колонны образуется микрокольцевое пространство.

Кроме того, в цементном камне появляются микротрещины из-за неравномерного расширения по высоте ствола скважины от устья до забоя.

Наиболее близким к предлагаемому является расщиряющийся тампонажный материал, включающий, вес. ч: хро.матный шлам и компонент, содержащий СаО в активной форме.

Из анализа прототипа следует, что расширяющийся тампонажный материал, включающий портландцемент, щлак алюмотермического производства ферротитана и гипсосодержащий компонент, имеет расширение, обусловленное кристаллизационным давлением кристаллов высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция.

Однако расширение, достигающее 56°/о, происходит весьма медленно и не завершается после 28 сут, при этом с повышением температуры выше 75°С эффект сульфоалюминатного расширения снижается из-за дегидратации высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, который отдает химически связанную воду.

Введение дополнительно отходов производства хромовых солей позволяет при 75°С

и выше получить безусадочный, расщиряющийся цемент, расширение и самонапряжение которого недостаточно велики, что не позволяет получить равномерный контакт в системе: стенка скважины-цементный- камень-обсадная колонна.

Цель изобретения - создание равномерного напряженного контакта в системе: стенка скважины - цементный камень - обсадная колонна за счет увеличениг расширения цементного камня в интервале 22-140°С.

Поставленная цель достигается тем, что расширяющийся тампонажный материал, включающий портландцемент, хроматный шлам и и компонент, содержащий СаО в активной форме; включает компонент, содержащий более 45% окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мае.ч.: Портландцемент100

Компонент, содержащий более 45% СаО5-20

Хроматный шлам6-12

Введение в расширяющийся тампонажный материал в качестве расширяющейся добавки известьсодержащего компонента с содержанием СаО более 45% и хроматного шлама в количестве 6-12 мае.ч. позволяет создать равномерный напряженный контакт между цементным камнем, обсадной колонной и стенками скважины. Величины контактных напряжений достигают 20-35 кг/см 2..

При содержании хроматного шлама менее 6 мае.ч. не удается получить расширения, необходимого для создания напряженного контакта.

При содержании хроматного шлама более 12 мае.ч. в цементном камне появляются микротрещины (вследствие резко увеличивающегося коэффициента расщирения), что приводит к нарушению герметичности зЭтрубного пространства.

При повышении более 20 мае. ч содержания компонента с СаО более 45% происходит значительное понижение прочности за счет образования большого количества гидроокиси кальция внутри структуры цементного камня. При уменьшении количества компонента за пределы 5 мае.ч. уменьшается коэффициент расширения. Расширение тампонажного материала недостаточно для уплотнения глинистой корки, что не предотвращает образования микрокольцевого зазора. В предлагаемом расширяющемся тампонажном материале основное расширение и напряженный контакт в интервале 2275°С создаются за счет компонента, содержащего более 45% СаО, в интервале 120°С и выще - за счет компонента, содержащего окись магния в активной форме - хроматного щлама, в интервале 75-120°С расширение и напряженный контакт -создаются за счет совместной работы компонентов с СаО и MgO в активной форме. Расширение и напряженный контакт в интервале до 120°С создается за счет образования гидроокиси кальция, в интервале выще 120°С - за счет образования из активной формы окиси магния гидрата окиси магния. При 75°С и выше процесс гидратации компонента, содержащего СаО более 45% происходит настолько быстро, что значительная часть окиси ка,льция превращается в гидроокись еще до появления структуры, уменьшая тем самым величину расширения. Гидратация окиси магния несколько замедлена во времени и происходит в период, когда камень уже обладает кристаллизационной структурой и способствует увеличению степени расширения и плотности цементного камня. Пример. Для приготовления расширяющегося тампонажного материала состава 100:15:9 берут 2000 г цемента, 300 ч твердого остатка содового производства обожженного при 800-900°С, и 180 г хроматного шлама. Компоненты перемешивают и активируют в дезинтеграторе. Из полученного тампонажного материала изготавливают образцы согласно ГОСТ 1576-81, определяют объемные изменения и величину самонапряжения. При приготовлении расширяющегося тампонажного материала в производственных условиях исходные компоненты (портландцемент, компонент с содержанием СаО более 45%, например твердый остаток содового производства, и компонент, содержащий MgO в активной форме, например хроматный шлам) в отдельности через дозирующие устройства, которые отрегулированы на получение необходимого соотношения компонентов, подаются в дезинтегратор, где размалываются и смешиваются. Полученная сухая смесь в контейнерах подается на буровую, затворяется (известным способом) водой для закачки в скважину. В табл. 1 приведены свойства расширяющегося тампонажного материала при использовании в качестве компонента, содержащего более 45% СаО, известняка Акжарскоге карьера Актюбинской области, обожженного при 1200°С в течение- 2 ч. В табл. 2 приведены свойства расширяюшегося тампонажного материала при использовании в качестве компонента, содержащего более 45% СаО, глинистого известняка Каратауского карьера Актюбинской области, с содержанием частиц силикатных минералов до 25%, обожженного при 1100°С в течении 2 ч. В табл. 3 приведены свойства расширяющегося тампонажного материала, когда в качестве компонента с содержанием СаО более 45% применяли доломитизированный известняк Мугоджарского карьера Актюбинской области, обожженного при 1000°С в течение 2 ч. Свойства предлагаемого расширяющегося тампонажного материала и прототипа приведены в таблице 4. Из табличных данных видно, что при уменьшении количества компонента, содержащего окись кальция, до 4% оксидное расширение при нормальной температуре и 75°С равно нулю и сцепление цементного камня с колонной минимально. Увеличение количества компонента, содержащего свободную окись кальция, до 21% (в тех же условиях) характеризуется уменьшением величины расширения приблизительно в 2 раза по сравнению с оптимальным составом, что приводит к значительному снижению напряжения в контакт-ных зонах. Кроме того, при уменьшении количества компонента, соде:)жащего окись магния в активной форме менее 6% расширение при температуре 75° С равно нулю, а при 140°С- 0,32, что свидетельствует о значительном уменьшении напряжения в контактных зонах. При увеличении количества магния свыше 12% происходит снижение величины расширения до 0,46, что уменьшает напряжение в контактных зонах. Таким образом, выход за пределы, указанные в формуле изобретения, снижает величины напряжения в контактных зонах и приводит к нарушению герметичности заколонного пространства. Использование совместного расширения на основе окиси кальция и окиси магния в тампонажном материале способствует увеличению плотности цементного камня, уменьшению газопроницаемости в 3-4 раза и созданию равномерного напряженного контакта в системе. Величина расширения цементного камня на основе предлагаемого расширяющегося тампонажного материала больше, чем у прототипа, соответственно больше, чем у прототипа, и величина самонапряжения, что позволяет, как видно из табл. 4, получить равномерный контакт в интервале 22-140°С.

Таблица 1

РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий портландцемент, хроматный шлам и компонент. 3 К ТЕХсодержащий СаО в активной форме, отличающийся тем, что, с целью создания равномерного напряженнд.го контакта в системе: стенка скважины - цементный камень-обсадная колонна за счет увеличения расширения цементного камня в интервале температур 22-140°С, он включает компонент, содержащий более 45°/о окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мае: ч: Портландцемент100 Компонент, содержащий более 45% СаО5-20 . Хроматный щлам6-12.

100

12

100

15

100

20

100

12

20

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4