СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСШИРЯЮЩЕЙ ДОБАВКИ К ТАМПОНАЖНОМУ МАТЕРИАЛУ
METHOD FOR OBTAINING EXPANSION AGENT TO PLUGGING MATERIAL

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и конкретно к области производства добавок для получения специальных цементов, а именно тампонажных материалов для крепления нефтяных и газовых скважин.
Для повышения качества крепления нефтяных и газовых скважин применяют расширяющиеся тампонажные цементы, в которых эффект расширения обеспечивается специальной расширяющей добавкой.
При этом расширяющие добавки для тампонажных материалов, помимо эффекта расширения, должны обладать оптимальной кинетикой расширения. Быстрое расширение приведет к тому, что добавка расширится еще до закачки или в процессе закачки цементного раствора в скважину и после затвердевания цементного раствора никакого расширения не будет. Позднее расширение добавки приводит к разрушению цементного камня.
Известны способы получения расширяющихся добавок путем смешения рационально подобранных ингредиентов, например, гипса, с высокоглиноземистым шлаком или глиноземистым цементом [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, стр.154]. Недостатком способа является недостаточная эффективность получаемой расширяющей добавки.
Известен способ получения расширяющей добавки обжигом магнезита, в которой расширение цементного камня обеспечивается гидратацией оксида магния (MgO), образующегося в процессе обжига [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, стр.161]. Недостатком данного способа является незначительная величина расширения цементов при нормальных и низких температурах.
Наибольшее применение для модификации тампонажных цементов находят расширяющие добавки получаемые обжигом известняка при температурах 900-1200°C [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, стр.157]. Обжиг известняка при температурах 900-950°C приводит к образованию быстрогасящей извести, применение которой в тампонажных цементах неэффективно из-за высокой скорости ее гидратации. Обжиг известняка при температурах выше 1100°C позволяет получить расширяющую добавку с замедленной скоростью гидратации, при этом существенно возрастают энергозатраты на ее получение.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения расширяющей добавки совместным обжигом мела с добавкой адипината натрия в соотношении 95:5 с последующим измельчением продукта обжига [Патент РФ №2153061, БИ 20, 2000. Расширяющийся тампонажный материал].
Недостатком указанного способа получения расширяющей добавки к тампонажному материалу является низкая величина расширения. Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная задача решается тем, что в способе получения расширяющей добавки, включающем обжиг сырьевой смеси, включающей мел и добавку, содержащую адипинат натрия, последующий помол продукта обжига, в качестве добавки используется пластификатор адипиновый щелочной (ПАЩ-1) или щелочной сток производства капролактама (ЩСПК), готовят сырьевую смесь с влажностью 5-7% тщательным перемешиванием, затем получают устойчивые формы с плотной структурой прессованием приготовленной смеси, обжигают при температуре 850-950°C, причем в процессе обжига темп набора температуры составляет 5,0-20,0 град/мин, продукт обжига равномерно охлаждают.
Сущность изобретения заключается в следующем, пластификатор адипиновый щелочной (ПАЩ-1) и щелочной сток производства капролактама (ЩСПК) содержат в своем составе адипинат натрия, который на 100-200°C снижает температуру образования извести при обжиге мела. При этом одновременно со снижением температуры обжига меняется форма и размеры кристаллов, которые, являясь более закристаллизованными, медленнее гидратируют с водой, приводя к более позднему расширению цементного камня.
Смешение мела с ПАЩ-1 или ЩСПК и получение сырьевой смеси с влажностью менее 5-7% обеспечивает получение сырьевой смеси в виде гранул или образцов, имеющих устойчивую форму, не разрушающуюся при внешних воздействиях в процессе обжига, что обеспечивает обжиг всего объема сырьевой смеси.
В то же время смешение мела с ПАЩ-1 или ЩСПК и получение сырьевой смеси с влажностью менее 5% приводит к рассыпанию смеси в порошок, значительная часть которого удаляется в процессе обжига вместе с дымовыми газами. При этом удаляется значительная часть адипината натрия, содержащегося в ПАЩ-1 и ЩСПК, что снижает эффективность результатов обжига. В частности, продукт обжига получается быстрогасящимся, что делает его непригодным в качестве расширяющей добавки в тампонажные материалы.
Получение сырьевой смеси с влажностью более 10% приводит к тому, что адипинат натрия вместе с паром интенсивно испаряется из сырьевой смеси в печи обжига, что ведет к потере расширяющих свойств продукта. Кроме того, повышенная влажность приводит к повышению энергозатрат при обжиге.
Обжиг сырьевой смеси, находящейся в виде устойчивых форм с плотной структурой, приводит к наиболее полному протеканию процесса во всем объеме обжигаемой смеси. Обжиг сырьевой смеси в виде порошка приводит к испарению адипината натрия и снижает величину расширения.
Обжиг сырьевой смеси проводят при температурах 850-950°C, при которых обеспечивается наиболее полный обжиг сырьевой смеси с получением хорошо закристаллизованных продуктов обжига в виде СаО.
Обжиг при температуре менее 850°C приводит к тому, что смесь полностью обжигается, но продукты обжига не успевают закристаллизоваться, и поэтому они имеют высокую скорость гашения, т.е. продукт обжига не может использоваться в виде расширяющей добавки, поскольку он может взаимодействовать с водой (прогидратировать) еще в процессе приготовления тампонажного раствора.
Обжиг при температуре более 950°C приводит к тому, что обожженная смесь пережигается и способна взаимодействовать с водой только при повышенных температурах, к повышению энергозатрат и нагрузки на футеровку печи обжига. Кроме того, в результате пережога и замедления скорости гидратации расширение может наступить уже после образования прочного камня, что приведет возникновению внутренних напряжений в цементном камне и образованию в нем трещин.
Поддержание темпа набора температуры составляет 5,0-20,0 град/мин в процессе обжига, что обеспечивает равномерный прогрев сырьевой смеси в процессе набора температуры и ее равномерное охлаждение по всему объему продукта обжига, что позволяет равномерно закристаллизовать продут обжига и предотвратить его перекристаллизацию.
Более быстрый темп набора температуры приводит к неравномерному обжигу сырьевой смеси, и ее внутренняя часть может остаться недожженной по сравнению с наружными слоями. Темп набора температуры медленнее 5,0 град/мин проводит к удлинению процесса обжига и увеличивает стоимость продукции.
Таким образом, в предлагаемом изобретении получение расширяющей добавки к тампонажному материалу возможно только при сочетании всех условий, содержащихся в отличительной части формулы изобретения, а именно использование ПАЩ-1 или ЩСПК; влажность сырьевой смеси 5-7%; обжиг материала в виде устойчивых форм с плотной структурой; температура обжига 850-950°C; темп набора температуры при обжиге 5,0-20,0 град/мин.
Таким образом, в предлагаемом изобретении используются новые ингредиенты - ПАЩ-1 или ЩСПК, новые элементы технологии: влажность сырьевой смеси, плотная структура обжигаемой смеси, температура обжига; темп набора и снижения температуры при обжиге, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".
В научно-технической и патентной литературе известно использование продукта обжига известнякового компонента и адипината натрия в качестве сырьевой смеси для получения разрушающего материала. В то же время неизвестно применение адипинатсодержащих продуктов ПАЩ-1 или ЩСПК в составе сырьевой смеси при получении расширяющей добавки к тампонажному материалу.
В научно-технической и патентной литературе [Бутт Ю.М. Технология цемента и других вяжущих материалов. - М.: Стройиздат, 1976, с.84-85] известно получение извести обжигом при температурах 850-950°C. В то же время неизвестно получение расширяющей добавки на основе оксида кальция обжигом при данных температурах.
В научно-технической и патентной литературе не известно регламентирование влажности сырьевой смеси при обжиге и регламентирование темпа набора и снижения температуры обжига в процессе получения расширяющих добавок к тампонажным материалам.
Таким образом, сказанное подтверждает соответствие заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".
Пример реализации изобретения.
Для получения расширяющей добавки готовится смесь, содержащая 1000 г мела и ПАЩ-1 или ЩСПК в количестве, обеспечивающем влажность смеси 6%. Смесь тщательно перемешивается и прессуется, затем обжигается при постоянно повышающейся температуре с темпом 10 град/мин. До температуры 900°C время подъема температуры составило 1 час. Затем сырьевая смесь после выдержки при температуре 900°C охлаждалась и размалывалась.
С полученной расширяющей добавкой готовился тампонажный материал, содержащий 900 портландцемента ПЦТ-1-50 и 100 г полученной расширяющей добавки. Смесь затворялась 500 г воды (В/Ц=0,5). У полученного раствора согласно ГОСТ измеряли растекаемость и плотность. Кроме этого, заливали формы для получения образцов - балочек для определения прочности цементного камня на изгиб через 2 суток твердения в нормальных условиях. Свойства раствора и полученного цементного камня приведены в таблице, из которой видно, что основные свойства раствора и камня находятся в пределах требований ГОСТ 1581-96. В этой же таблице приведены характеристики традиционно применяемого тампонажного портландцемента.
Пример реализации заявляемого способа свидетельствуют о соответствии его критерию "практическая применимость".