РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
EXPANDING CEMENT SLURRY WITH ADJUSTABLE PROCESS PROPERTIES

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин.
Известны расширяющиеся тампонажные растворы (материалы) из расширяющихся цементов, а также тампонажные растворы, содержащие портландцемент тампонажный и порошок магнезитовый каустический [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, с. 161-162. Каримов Н.Х., Данюшевский B.C., Рахимбаев Ш.М. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов. Обз. информ. Сер. "Бурение". М.: ВНИИОЭНГ, 1980, с. 23].
Недостатками известных составов являются незначительное расширение тампонажного раствора и камня и низкая прочность контакта тампонажного камня с металлом обсадных труб и горными породами.
2
2
3
2
3
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения - воду, и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, понизителя показателя фильтрации - гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора - поликарбоксилата, пеногасителя, расширяющей добавки, ускорителя времени загустевания и сроков схватывания - хлорида кальция. Основа дополнительно содержит алюмосиликатную пуццолановую добавку метакаолин, а в качестве расширяющей добавки - продукт совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5; в качестве пеногасителя основа содержит полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент
91,8-94,2
указанный понизитель фильтрации
0,15-0,3
указанный пластификатор
0,2-0,3
указанная расширяющая добавка
3,0-5,0
указанный пеногаситель
0,01-0,03
метакаолин
0,5-2,0
хлорид кальция
0,5-2,5
а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,48-0,64 (патент РФ №2452758 от 10.06.2012 г.). Данный раствор принят в качестве прототипа.
2
2
3
2
3
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - жидкость затворения - вода; основа, состоящая из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5.
Недостатками известного тампонажного раствора являются низкие прочностные показатели и недостаточное линейное расширение у формирующегося цементного камня, что может привести к неплотному контакту цементного камня с горными породами и обсадной колонной.
Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном расширяющемся тампонажном растворе с регулируемыми технологическими свойствами, содержащем жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%:
CaO+MgO
72-91
SiO<sub>2</sub>
7-23
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-4
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-2,5
прочие примеси
0-4,5,
согласно изобретению основа дополнительно содержит диабазовую муку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент тампонажный
93,7-93,85
Гидрооксиэтилцеллюлоза
0,15-0,23
Пластификатор поликарбоксилат
0,08-0,12
Полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07
0,02-0,06
Расширяющая добавка ДРС-НУ
3,95-4,0
Метакаолин
0,45-0,54
Диабазовая мука
1,05-1,26
Хлорид кальция
0,45-1,0
а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.
Отличительные признаки заявляемого раствора от раствора по прототипу - основа дополнительно содержит диабазовую муку; а также иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас.%: портландцемента тампонажного - 93,7-93,85; гидроксиэтилцеллюлозы - 0,15-0,23; пластификатора поликарбоксилата - 0,8-0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 - 0,02-0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ - 3,95-4,0; метакаолина - 0,45-0,54; диабазовой муки - 1,05-1,26; хлорида кальция - 0,45-1,0; содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора ингредиентов (качественного и количественного) в заявляемом расширяющемся тампонажном растворе.
Благодаря введению в тампонажный материал понизителя показателя фильтрации гидроксиэтилцеллюлозы обеспечиваются пониженные показатели фильтрации, исключаются седиментационные процессы, в результате чего отсутствует водоотделение у получаемых тампонажных растворов.
2
2
3
2
3
В качестве расширяющей добавки предлагается использовать продукт совместного помола доменного шлака и негашеной извести марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5. Таким образом, в тампонажном растворе будет происходить так называемое оксидное расширение за счет повышенной концентрации в растворе оксидов кальция и магния.
Ввод указанной расширяющей добавки в тампонажный раствор позволит повысить линейное расширение тампонажного камня до 3,2%.
Ввод в заявляемый тампонажный раствор пластификатора - поликарбоксилата позволяет повысить его подвижность, что приводит к более полному заполнению затрубного пространства тампонажным раствором при проведении цементировочных работ.
Ввод в заявляемый тампонажный раствор пеногасителя - полигликоля марки ПЛАСТЭК ПГ-07 обеспечивает снижение пенообразования и удаления из раствора, вовлеченного при затворении воздуха, что оказывает влияние на плотность тампонажного раствора, кроме того, обеспечивает формирование плотного, малопроницаемого цементного камня, формирующегося при твердении, и нормальную работу цементировочного оборудования.
В качестве реагента ускорителя времени загустевания и сроков схватывания используется хлористый кальций. Подобранные концентрации указанного реагента позволяют получить тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося расширяющегося цементного камня.
Лабораторные исследования показали, что ввод в тампонажный раствор метакаолина и диабазовой муки - реагентов, повышающих раннюю прочность и адгезию цементного камня, позволяет получить цементный камень с высокими показателями адгезии с сопредельными средами, а также высокие прочностные показатели уже на ранней стадии твердения 1-2 суток. Ранняя прочность тампонажного камня возрастает на 15…20%.
Для получения предлагаемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- портландцемент тампонажный марки ПЦТ IG-СС-1;
- гидроксиэтилцеллюлоза марки Natrosol HHR по ТУ 2231-001-21095737-05;
- пластификатор на основе поликарбоксилата ПЛАСТЭК С7/531 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);
- ускоритель времени загустевания и сроков схватывания хлорид кальция;
- полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);
2
2
- метакаолин - аллюломосиликатная пуццолановая добавка марки МЕТАСЕМ 85С, характеризуется следующими показателями: порошок от кремового до бежевого цвета; удельная поверхность - 15 м/г; пуццолановая активность - более 1000 мг Ca(OH)/г; плотность - 2,5 г/л; насыпная плотность - 300÷400 г/л; - (по импорту, производство Индия);
- диабазовая мука по ТУ 5716-001-41257914-2009;
2
2
3
2
3
- расширяющая добавка на основе оксидов кальция и магния марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 (изготовитель ООО «НИКОЙЛ») со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5;
- вода техническая.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример.
Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях брали 937,0 г портландцемента тампонажного; 1,7 г гидроксиэтилцеллюлозы; 4,5 г метакаолина; 10,5 г диабазовой муки; 40 г расширяющей добавки на основе оксидов кальция и магния; 0,3 г пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ-07; 1,0 г пластификатора ПЛАСТЭК С7/531; 5 г хлорида кальция. В результате была получена основа тампонажного раствора со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 93,7; гидроксиэтилцеллюлоза марки НАТРОСОЛ HHR 0,17; метакаолин 0,45; диабазовая мука 1,05; расширяющая добавка ДРС-НУ 4,0; пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ07 0,03; пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 0,10; хлорид кальция 0,5.
Далее из указанной основы готовили тампонажный раствор путем затворения ее на технической воде при водосмесевом отношении 0,49, т.е. при этом брали 1000 г основы и затворяли ее в 490 г воды.
Тампонажные растворы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В преимущественном варианте приготовления предлагаемого тампонажного раствора ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 и пеногаситель ПЛАСТЭК ПГ07 рекомендуется предварительно растворять в жидкости затворения - воде.
В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства заявляемого тампонажного раствора: плотность, растекаемость, показатель фильтрации, водоотделение; а также определяли следующие свойства цементного камня: линейное расширение; предел прочности при изгибе; усилие выталкивания образцов.
Данные об ингредиентном составе исследованных тампонажных растворов приведены в таблице 1. А данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре и по известной рецептуре, приведены в таблице 2.
Как видно из данных таблицы 2, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств по сравнению с прототипом:
- наличием большего расширения цементного камня;
- повышенной адгезией цементного камня с сопредельными средами;
- повышенной прочностью при изгибе.
Благодаря указанным свойствам, заявляемые тампонажные растворы позволят в промысловых условиях более полно вытеснять буровой раствор тампонажным, получить герметичную крепь обсадной колонны в стволе скважины за счет формирования прочного цементного камня, имеющего за счет расширения сплошной контакт как с обсадными трубами, так и с горными породами.
* Состав указанной расширяющей добавки, мас.%:
2
2
3
2
3
- в примере 1: CaO+MgO - 83,4; SiO - 12,3; AlO - 1,5; FeO - 0,7; прочие примеси - 2,1,
2
2
3
2
3
- в примере 2: CaO+MgO - 82,8; SiO - 12,6; AlO - 2,2; FeO - 0; прочие примеси - 2,4,
2
2
3
2
3
- в примере 3: CaO+MgO - 89,7; SiO - 7,9; AlO - 0; FeO - 1,9; прочие примеси - 0,5.