РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ
EXPANDING PLUGGING MATERIAL

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным составам, используемым при цементировании обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.
Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс, добавку - гидрокарбоалюмосиликатный материал, пластификатор С-3 и понизитель водоотдачи, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 86-95, гипс 2-7, гидрокарбоалюминатный материал 2-7, пластификатор С-3 0,1-0,2, понизитель водоотдачи 0,2-0,4 (Патент РФ № 2301823, кл. С09К 8/467, опубл. 2007 г.).
Недостатком этого известного материала является то, что он содержит в своем составе гипс, который в процессе длительной эксплуатации скважин подвержен растворению в водной среде, что впоследствии может привести к нарушению герметичности цементного кольца.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тампонажный раствор, состоящий из цемента и комплексного реагента (0,6-1,5 мас.% к цементу), содержащего, мас.%: понизитель водоотдачи 30-94; пластификатор 2-25; пеногаситель 1-14; структурообразователь 3-25 (Патент РФ № 2259468, кл. Е21В 33/138, опубл. 2005 г.).
Недостатком указанного известного тампонажного раствора является отсутствие расширения у формируемого цементного камня и недостаточная прочность сцепления этого камня с обсадной колонной и стенками скважины, что может привести к появлению микрозазоров и нарушению изоляционных свойств цементного кольца.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении изоляционной способности цементного камня, образующегося из тампонажного материала, за счет повышения степени его расширения и увеличения прочности сцепления с колонной и стенками скважины при широком диапазоне водоцементного отношения.
Указанный технический результат достигается заявляемым расширяющимся тампонажным материалом, содержащим портландцемент, понизитель водоотдачи, суперпластификатор, пеногаситель и реагент на основе соединения алюминия, при этом согласно изобретению он дополнительно содержит ускоритель сроков схватывания, в качестве реагента на основе соединения алюминия он содержит расширяющую добавку - окись алюминия и/или сульфоалюминат кальция, а в качестве пеногасителя - пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент
91,3-98,3
Указанная расширяющая добавка
0,5-5,0
Ускоритель сроков схватывания
0,1-3,0
Понизитель водоотдачи
0,1-0,5
Суперпластификатор
0,1-0,7
Пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ
0,1-0,3
Тампонажный материал дополнительно содержит жидкость затворения - воду при водоцементном отношении 0,47-0,78.
В качестве ускорителя сроков схватывания тампонажный материал содержит хлорид кальция или хлорид натрия.
В качестве суперпластификатора тампонажный материал содержит меламинформальдегид, или ЦЕМПЛАСТ МФ, или С-3, или Melflux.
В качестве понизителя водоотдачи тампонажный материал содержит оксиэтилцеллюлозу.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора ингредиентов (качественного и количественного) в заявляемом тампонажном материале, т.е. этот результат носит синергетический характер.
Благодаря введению в тампонажный материал понизителя водоотдачи - оксиэтилцеллюлозы, обеспечивается низкая фильтрация, снимаются седиментационные процессы, что обеспечивает нулевое водоотделение полученных тампонажных растворов. А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими ингредиентами указанный показатель фильтрации приближается к уровню фильтрации буровых растворов, что позволит в промысловых условиях при цементировании исключить преждевременное загустевание тампонажного раствора.
В качестве расширяющей добавки предложено ввести в предлагаемый материал неорганические соединения - окись алюминия и/или сульфоалюминат кальция, родственные по своему составу минералам, входящим в состав портландцемента, которые представляют собой модифицированные сульфаты кальция и алюминия.
Введение в предлагаемый тампонажный материал расширяющей добавки указанного вида и в предложенном соотношении позволяет получить расширение тампонажного состава на ранней стадии твердения и формирования тампонажного камня, что позволяет избежать саморазрушения его структуры (образование трещин, снижение прочности).
Важно, чтобы процесс расширения завершился на стадии раннего твердения тампонажного камня, так как длительный процесс твердения сопровождается саморазрушением тампонажного камня. Кроме временного фактора в процессе расширения, не менее важное значение имеет объем расширения, который выражается как линейное расширение тампонажного камня. Так как цель процесса расширения заключается в образовании более плотного контакта цементного камня с вмещающими поверхностями, линейное расширение тампонажного камня не должно превышать 1,0%. Больший объем расширения в тампонажном камне может привести к потере его прочности.
Наличие в составе ускорителя сроков схватывания позволяет обеспечить приемлемые сроки схватывания и твердения тампонажного материала, и одновременно с этим, по-видимому, оказывает синергетическое химическое влияние на расширяющую добавку с образованием комплексных соединений, обеспечивающих равномерное расширение материала на стадии набора его прочности, причем без разрушения структуры образующегося камня. Это также позволяет сократить сроки схватывания до необходимых для конкретной скважины пределов и при этом получить равномерное расширение тампонажного камня, не оказывающее отрицательного влияния на его прочностные свойства.
Экспериментальным путем было установлено, что совокупность указанных ингредиентов при заявленном их соотношении также позволяет существенно усилить адгезионные свойства (сцепление с обсадной колонной и стенками скважины) тампонажного камня. Это может быть объяснено тем, что полученное расширение цементного камня позволяет обеспечить более плотный контакт с вмещающими поверхностями.
Использование суперпластификатора в предлагаемом тампонажном материале позволяет модифицировать структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного (цементного) камня.
Введение в предлагаемый тампонажный материал пеногасителя марки ПОЛИЦЕМ ДФ обеспечивает понижение ценообразования, что благоприятно сказывается на работе цементировочного оборудования.
Для получения заявляемого тампонажного материала в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1;
- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ Н, С по ТУ 2231-009-40912231-2003;
- суперпластификатор на основе меламинсодержащих смол ЦЕМПЛАСТ МФ по ТУ 2223-011-40912231-2003;
- суперпластификатор на основе нафталинсодержащих смол С-3 по ТУ 6-360204229-625-90;
- суперпластификатор на основе полиэфиркарбоксилатов MelfluxF - водоредуцирующая добавка по степени пластификации по ГОСТ 24211-91 - относится к группе суперпластифицирующих;
- ускоритель сроков схватывания: хлорид кальция, хлорид натрия;
- пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;
- расширяющая добавка - аморфная окись алюминия марок РУ-1, «ЭКСЦЕМ СА» по ТУ 2123-020-53501222-2001;
- расширяющая добавка сульфоалюминат кальция марок РУ Н, РУ по ТУ 2157-034-40912231-2005;
- вода техническая.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример. Для получения предлагаемого тампонажного материала в лабораторных условиях брали 95 г портландцемента; 5 г расширяющей добавки аморфной окиси алюминия марки РУ-1; 1,9 г хлористого кальция; 0,19 г оксиэтилцеллюлозы; 0,19 г суперпластификатора на основе меламинсодержащих смол ЦЕМПЛАСТ МФ и 0,19 г пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ. В результате был получен тампонажный материал со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: портландцемент 92,7; расширяющая добавка аморфная окись алюминия 4,87; хлорид кальция 1,86; оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ С 0,19; суперпластификатор на основе меламинсодержащих смол ЦЕМПЛАСТ МФ 0,19; пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ 0,19.
Тампонажные материалы с другим содержанием ингредиентов готовили аналогичным образом.
Далее из полученного тампонажного материала готовили тампонажный раствор путем его затворения на технической воде при водоцементном отношении 0,47. Хлорид кальция в расчетном количестве 1,9 г предварительно растворяли в жидкости затворения.
В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства тампонажного раствора, приготовленного из заявляемого тампонажного материала:
- плотность;
- пластическая вязкость;
- фильтратоотдача;
- водоотделение,
а также определяли следующие свойства тампонажного камня:
- линейное расширение камня;
- предел прочности при изгибе, при сжатии;
- усилие выталкивания образца (характеризует адгезионные свойства тампонажного камня).
Данные об ингредиентном составе исследованных тампонажных материалов приведены в таблице 1. А данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных на предлагаемом и известном тампонажных материалах, приведены в таблице 2.
Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый тампонажный материал позволяет получать тампонажные растворы, характеризующиеся следующими преимуществами перед известными:
- наличием расширения цементного камня;
- прочным сцеплением цементного камня с вмещающими поверхностями, которое характеризуется усилием выталкивания образцов;
- высокими прочностными характеристиками тампонажного камня.
Благодаря указанным свойствам, тампонажные растворы, полученные из заявляемого тампонажного материала, позволят в промысловых условиях получить расширяющийся тампонажный камень с высокими прочностными свойствами, позволяющий повысить плотность контакта цемента с вмещающими поверхностями, тем самым увеличить изоляционные свойства цементного камня.
Примечания:
1. В качестве суперпластификатора использовали в опытах 1 и 3 - С-3; в опыте 2 - Melflux; в остальных - ЦЕМПЛАСТ.
2. В качестве ускорителя сроков схватывания в опытах 1-4 - использовали хлорид кальция; в остальных - хлорид натрия.
3. В качестве расширяющей добавки в опытах 1 и 3 использовали сульфоалюминат кальция РУ-Н; в опытах 2 и 4 использовали окись алюминия ЭКСЦЕМ СА; в опытах 5 и 6 использовали смесь окиси алюминия и сульфоалюмината кальция (смесь реагентов ЭКСЦЕМ СА и РУ-Н) в соотношении 1:1.
4. В опыте 7 в качестве понизителя водоотдачи использовали поливиниловый спирт; в качестве пластификатора - суперпластификатор на основе нафталинсодержащих смол С-3; в качестве структурообразователя - гидроксихлорид алюминия; в качестве пеногасителя - трибутилфосфат; в качестве вяжущего - цемент, облегченный микросферами.
5. В опыте 8 в качестве понизителя водоотдачи - сульфацел, в качестве вяжущего -расширяющийся цемент.