ЦЕМЕНТНЫЙ РАСТВОР С НИЗКИМ СООТНОШЕНИЕМ ВОДА:ЦЕМЕНТ
CEMENT GROUT WITH LOW WATER:CEMENT RATIO

Данное изобретение относится к цементным растворам, подходящим для использования в подземных скважинах, таких как нефтяные и газовые скважины, и в частности, относится к растворам, которые могут быть получены с очень низким соотношением вода:цемент, еще которые показывают быстрое нарастание прочности на сжатие и механических свойств затвердевшего материала.
В обычных операциях цементирования скважины цементный раствор получают на поверхности и закачивают насосом в скважину через облицовку или крепление скважины с заполнением кольцевого зазора между креплением и стенкой ствола скважины с обеспечением зональной изоляции и механического крепления. Цементный раствор должен, предпочтительно, иметь относительно низкую вязкость и иметь эффективные постоянные реологические свойства, когда он получается и закачивается насосом в скважину и помещается в зону, которую он должен цементировать. Как только он помещается на место, цемент будет идеально наращивать высокую прочность на сжатие за минимальное время. Время наращивания прочности на сжатие является функцией температуры, но также сильно зависит от соотношения вода:цемент. Хорошо известно, что разбавленные растворы (т.е. растворы, имеющие высокое водосодержание, обычно для достижения сниженной плотности) могут иметь длительное время нарастания достаточной прочности на сжатие и требуют увеличения времени монтажа, затрачиваемого на операцию цементирования.
Цементные растворы, широко используемые для нефтяных и газовых скважин, обычно имеют объемную фракцию воды (объем воды/общий объем раствора, иногда называемую «пористостью раствора») около 59%, что соответствует массовому соотношению вода:цемент около 44 мас.%. Общепринято, что только около 22 мас.% воды требуется для гидратации портландцемента, причем избыток воды в растворе вызывает развитие пористости в затвердевшем материале. Хотя соотношение вода:цемент 44 мас.% может дать затвердевший материал, имеющий достаточно высокую прочность на сжатие и приемлемую проницаемость, это является неправомерным для случая, когда требуются легкие плотности раствора.
Легковесные цементные растворы обычно разрабатываются с использованием одной из трех технологий: разбавленные растворы, пеноцементы и системы с разработанным размером частиц.
3
В разбавленных растворах плотность раствора снижается при увеличении соотношения вода:цемент обычно до 100 мас.% с достижением плотности раствора 1503 кг/м(12,5 фунт/галлон). С таким количеством воды нарастание прочности на сжатие является медленным, и затвердевший материал показывает высокую проницаемость и низкую прочность на сжатие (менее 0,69 МПа (1000 фунт/кв.дюйм)).
3
В пеноцементах базовый раствор, имеющий обычно соотношение вода:цемент 44 мас.%, вспенивается газом (обычно азотом). При введении газа соотношение вода:цемент поддерживается постоянным. В данном случае скорость нарастания прочности на сжатие не ухудшается по сравнению с базовым раствором, но газ, вводимый в материал, образует пористость, приводя к значительному увеличению проницаемости и снижению конечной прочности на сжатие (обычно 1,52 МПа (2200 фунт/кв.дюйм)) для 1503 кг/м (12,5 фунт/галлон) раствора.
В системах с разработанным размером частиц, таких как описанные в ЕР 0621247А (SOFITECH NV) от 26.10.1994 г. и WO 0109056 (SOFITECH NV) от 08.02.2001 г., цемент смешивается с другими частицами, так что объемная фракция упаковки твердых частиц оптимизируется, что позволяет снизить количество воды, необходимой для поддержания хороших реологических свойств. Данная технология является улучшением по сравнению с предыдущими технологиями, так как пористость затвердевшего материала остается низкой, независимо от того, что плотность раствора (которая может регулироваться выбором дисперсных материалов подходящей плотности для образования раствора) и высокая прочность на сжатие могут быть достигнуты, даже если соотношение вода:цемент в таких растворах является обычно не ниже 50 мас.%.
Задачей настоящего изобретения является создание системы цементного раствора, которая может быть получена с низкими соотношениями вода:цемент при быстром нарастании прочности на сжатие.
Первый аспект настоящего изобретения предусматривает цементный раствор, содержащий смесь цементной смеси и воды, где цементная смесь содержит, по меньшей мере, 70 об.% смеси цементирующего дисперсного материала, и вода присутствует в смеси в количестве не более 50 об.% от объема раствора.
Цементирующие материалы могут содержать портландцемент, шлаки, дымящий диоксид кремния, зольную пыль, коллоидный диоксид кремния и их смеси.
Цементная смесь может содержать другие дисперсные материалы, например стеклянные микросферы, такие как обычно используются для регулирования плотности.
Цементный раствор, предпочтительно, содержит ультратонкие дисперсные частицы, имеющие средний размер частиц менее 1 мкм, например дымящий диоксид кремния или коллоидный диоксид кремния.
Предпочтительная цементная смесь содержит портландцемент и дымящий диоксид кремния и/или коллоидный диоксид кремния в количестве, по меньшей мере, 60 об.%. В особенно предпочтительном цементном растворе цементная смесь содержит портландцемент и дымящий диоксид кремния и/или коллоидный диоксид кремния в количестве приблизительно 100 об.%.
Цементная смесь обычно содержит дисперсные материалы, имеющие средний размер частиц в интервале 1-10 мкм.
Вода, предпочтительно, присутствует в количестве 35-40 мас.% от объема цементного раствора. Предпочтительное соотношение вода:цементирующий материал находится в интервале 20-40 мас.%.
В одном предпочтительном варианте цементная смесь содержит дисперсные материалы, по меньшей мере, в двух дискретных интервалах размеров частиц. Дисперсные материалы также могут присутствовать, по меньшей мере, в трех дискретных интервалах размеров частиц. Цементирующий материал может содержать два или три интервала размеров частиц.
Цементный раствор может дополнительно содержать добавки, такие как диспергаторы, антифризы, фиксаторы воды, ускорители или замедлители затвердевания, стабилизаторы пены или их смеси.
Второй аспект настоящего изобретения предусматривает способ цементирования скважины, в котором получают цементный раствор согласно первому аспекту изобретения и закачивают насосом цементный раствор в скважину.
Стадия получения цементного раствора, предпочтительно, содержит выбор твердых дисперсных материалов для цементной смеси с тем, чтобы обеспечить определенную плотность цементного раствора.
Альтернативно, способ может содержать вспенивание цементного раствора в скважине для регулирования его плотности.
Композиции цементного раствора согласно настоящему изобретению обычно характеризуются высокой объемной фракцией твердого вещества, и сухая смесь содержит высокое количество цементирующих материалов. Подходящие цементирующие материалы содержат твердые материалы, содержащие кальций и/или диоксид кремния, способные давать гидраты либо с, либо без взаимодействия с любым другим компонентом. Например, портландцемент, смесь портландцемента и шлаков рассматриваются в качестве цементирующих материалов, а также дымящий диоксид кремния, зольная пыль и коллоидный диоксид кремния.
Типичная смесь является бимодальной или тримодальной (два или три различных интервала размера частиц) с цементирующими материалами, присутствующими как два или три указанных интервала для того, чтобы максимизировать количество цементирующего материала. Когда смесь смешивается с водой до пористости цементного раствора менее 50%, для поддержания хорошей смешиваемости обычно требуется минимальное количество ультратонких частиц (обычно со средним размером частиц менее 1 мкм).
По сравнению с современными цементными растворами, которые имеют соотношение вода:цемент выше 44 мас.%, композиции, относящиеся к настоящему изобретению, могут иметь соотношение вода:цемент только 20 мас.%, хотя показывая еще быстрое нарастание прочности на сжатие и очень высокую прочность на сжатие.
Настоящее изобретение может обеспечить цементные растворы, имеющие очень низкое соотношение вода:цемент (в интервале от 20 до 40 мас.%). По сравнению с тремя известными технологиями (разбавленные растворы, пеноцементы и системы с разработанным размером частиц) оно обеспечивает следующие преимущества:
- быстрое нарастание прочности на сжатие, что является очень важным, особенно когда цементный раствор затвердевает при низкой температуре (например, глубоководные скважины);
- возможность обеспечения очень высокой прочности на сжатие при низкой плотности, даже когда данный тип раствора вспенивается, а также низкой проницаемости;
- возможность охватить одной композицией смеси широкий интервал плотностей раствора при вспенивании или расширении его водой, обеспечивая еще затвердевший материал с низкой проницаемостью и высокой прочностью на сжатие.
Настоящее изобретение предусматривает цементные растворы с очень низким соотношением вода:цемент в широком интервале плотностей, приводя к значительному улучшению нарастания прочности на сжатие.
Цементный раствор состоит из сухой смеси (которая может иметь бимодальный, тримодальный или выше интервалы размеров частиц) и воды.
Сухая смесь получается так, чтобы количество цемента (или цементирующего материала) в смеси составляло более 70 об.% смеси. Плотности нецементирующих частиц выбраны, чтобы подходить требуемой плотности цементного раствора.
Предпочтительные смесевые композиции содержат портландцемент и дымящий диоксид кремния с общей объемной фракцией указанных компонентов, соответствующей более 60% общей сухой смеси.
Когда в смеси присутствуют ультратонкие частицы (дымящий диоксид кремния или коллоидный диоксид кремния), смесь может быть смешана с количеством воды, которое обычно составляет 35-50 об.% от объема конечного цементного раствора. Большое количество твердых частиц (от 50 до 65 об.% раствора) в сочетании с большим количеством цементирующего материала (более 50 об.% от объема смеси) обеспечивает очень низкое соотношение вода:цемент (в интервале от 20 до 40 мас.%). Это может обеспечить быстрое нарастание прочности на сжатие и очень высокую прочность на сжатие.
Другой вариант изобретения содержит бимодальную смесь, содержащую большое количество цементирующего материала (>60 об.% смеси) в комбинации с коллоидным диоксидом кремния или дымящим диоксидом кремния в жидкой форме в качестве ультратонких частиц.
Для трудных случаев, таких как глубоководное цементирование, когда температура является очень низкой, и требуется низкая плотность, один предпочтительный подход состоит в разработке смеси с очень высоким количеством цементирующего материала (обычно от 60 до 100 об.% смеси) и затем вспенивании цементного раствора на основе данной смеси для того, чтобы получить требуемую низкую плотность. Такая система имеет соотношение вода:цемент только 20% и поэтому быстро наращивает прочность на сжатие даже при очень низкой температуре.
Подходящие реологические и механические свойства получаются при выборе распределения частиц по размеру и объему таким образом, чтобы максимизировать компактность сухой смеси.
Рецептуры, полученные в соответствии с настоящим изобретением, наращивают прочность на сжатие значительно быстрей, чем рецептуры цементов, имеющих такую же плотность. Прочность на сжатие является очень высокой, а пористость очень низкой. В результате проницаемость может быть ниже на несколько порядков по величине.
Цементные растворы согласно настоящему изобретению могут включать одну или более добавок следующих типов: диспергаторы, антифризы, фиксаторы воды, ускорители или замедлители затвердевания и стабилизаторы пены. Когда такие добавки находятся в жидкой форме (либо предусмотренные, либо растворенные в жидком носителе), они рассматриваются как часть жидкой фракции.
ПРИМЕР 1
Свойства двух цементных растворов, полученных согласно настоящему изобретению, сравниваются с традиционной цементной системой:
Цементный раствор А (изобретение)
Получают смесь порошков, содержащую: 55 об.% портланда, класс G, 20 об.% смеси микропортландцемента и шлака, имеющего средний размер около 1,5 мкм, и 25% об. дымящего диоксида кремния. С данным порошком смешивают воду и добавки (противовспенивающий агент при 0,0025 л/кг (0,03 галлон на мешок) порошка и суперпластификатор на основе полинафталинсульфоната при 0,0334 л/кг (0,4 галлон на мешок) порошка так, чтобы обеспечить объемное процентное содержание жидкости в цементном растворе 40%. Мешок порошка определяется по аналогии с мешками цемента как мешок, содержащий 45,359 кг смеси, другими словами, 1 галлон/мешок = 0,0834 л добавки на 1 кг смеси.
Цементный раствор В (изобретение)
3
Получают смесь порошков, содержащую: 55 об.% портланда, класс G, 20 об.% стеклянных микросфер, имеющих плотность 380 кг/м, и 25 об.% дымящего диоксида кремния. С данным порошком смешивают воду и добавки (противовспенивающий агент при 0,0025 л/кг (0,03 галлон на мешок) порошка и суперпластификатор на основе полинафталинсульфоната при 0,0250 л/кг (0,3 галлон на мешок) порошка так, чтобы обеспечить объемное процентное содержание жидкости в цементном растворе 40%.
Цементный раствор С (прототип)
3
Портландцемент, класс G, смешивают со свежей водой, 0,0025 л/кг (0,03 галлон/мешок) антивспенивателя и 0,033 л/кг (0,04 галлон/мешок) диспергатора, так что плотность цементного раствора составляет 1900 кг/м (15,8 фунт/галлон) (пористость 59%).
Таблица 1
Цементный раствор
А
В
С
Плотность
2140 (17,8)
1830 (15,2)
1900 (15,8)
Пористость цементного раствора
40%
40%
59%
Соотношение вода:цемент
23%
29%
44%
ПСж
138 (20000)
114 (16500)
34,5 (5000)
3
Плотность выражается в кг/м (и в фунт/галлон в круглых скобках).
ПСж означает прочность на сжатие через 6 дней затвердевания цемента при окружающем давлении и 60°C и выражается в МПа (и фунт/кв.дюйм в круглых скобках).
Можно видеть, что для цементных растворов А и В прочность на сжатие является намного выше, чем для цементного раствора С благодаря низкому соотношению вода:цемент.
ПРИМЕР 2
Свойства вспененных цементных растворов, полученных согласно настоящему изобретению, сравниваются с традиционными цементными системами:
Базовый цементный раствор А (изобретение)
3
Получают смесь порошков, содержащую: 55 об.% портланда, класс G, 20 об.% стеклянных микросфер, имеющих плотность 380 кг/м, и 25 об.% дымящего диоксида кремния. С данным порошком смешивают воду и суперпластификатор на основе полинафталинсульфоната при 0,3 галлон на мешок порошка (0,0250 л/кг) так, чтобы обеспечить объемное процентное содержание жидкости в цементном растворе 40%.
3
3
3
Цементный раствор вспенивают с различными количествами пены с получением цементных растворов, конечные плотности которых составляют 1440 кг/м, 1278 кг/м и 1150 кг/м.
Цементный раствор В (прототип)
3
Портландцемент, класс G, смешивают со свежей водой и 0,033 л/кг (0,04 галлон/мешок) диспергатора, так что плотность цементного раствора составляет 1900 кг/м (15,8 фунт/галлон) (пористость 59%).
3
3
3
Цементный раствор вспенивают с различными количествами пены с получением цементных растворов, конечные плотности которых составляют 1440 кг/м, 1278 кг/м и 1150 кг/м.
Таблица 2
Базовый цементный раствор
А
В
Пористость цементного раствора
40%
59%
Количество пены
21%
30%
37%
24%
33%
39
Плотность
1440 (12)
1278 (10,6)
1150 (9,6)
1440 (12)
1278 (10,6)
1150 (9,6)
Соотношение вода:цемент
29%
44%
ПСж
38 (5500)
24 (3500)
19 (2700)
14 (2000)
9 (1300)
7 (1000)
3
Плотность выражается в кг/м (и в фунт/галлон в круглых скобках).
ПСж означает прочность на сжатие через 10 дней затвердевания цемента при окружающем давлении и температуре и выражается в МПа (и фунт/кв.дюйм в круглых скобках).
Можно видеть, что для цементных растворов, полученных согласно настоящему изобретению, прочность на сжатие является намного выше, чем для традиционных вспененных систем одинаковой плотности цементного раствора благодаря низкому соотношению вода:цемент.
ПРИМЕР 3
Свойства трех цементных растворов, полученных согласно настоящему изобретению, показаны в таблице 3 ниже. Они показывают широкий интервал плотности цементных растворов, который может быть перекрыт концепцией изобретения и замечательными механическими свойствами затвердевших материалов.
Цементный раствор А (изобретение)
3
Получают смесь порошков, содержащую: 35 об.% портланда, класс G, 40 об.% стеклянных микросфер, имеющих плотность 380 кг/м, и 25 об.% дымящего диоксида кремния. С данным порошком смешивают воду и суперпластификатор на основе полинафталинсульфоната при 0,0167 л/кг (0,2 галлон на мешок) порошка так, чтобы обеспечить объемное процентное содержание жидкости в цементном растворе 40%.
Цементный раствор В (изобретение)
3
Получают цементный раствор, подобный цементному раствору А, но без противовспенивающего агента. Данный базовый цементный раствор затем вспенивают с количеством пены с получением цементного раствора, конечная плотность которого составляет 970 кг/м.
Цементный раствор С (изобретение)
3
Получают смесь порошков, содержащую: 50 об.% портланда, класс G, 25 об.% стеклянных микросфер, имеющих плотность 380 кг/м, и 25 об.% дымящего диоксида кремния. С данным порошком смешивают воду и противовспенивающий агент при 0,0025 л/кг (0,03 галлон/мешок), чтобы обеспечить объемное процентное содержание жидкости в цементном растворе 60%.
Таблица 3
Базовый цементный раствор
А
В
С
Пористость базового цементного раствора
40%
40%
60%
Количество пены
0%
35%
0%
Плотность
1520 (2,7)
970 (8,1)
1500 (12,5)
Соотношение вода:цемент
40%
40%
70%
ПСж
69 (10000)
11 (1600)
17 (2500)
3
Плотность выражается в кг/м (и в фунт/галлон в круглых скобках).
ПСж означает прочность на сжатие через 10 дней затвердевания цемента при окружающем давлении и температуре и выражается в МПа (и фунт/кв.дюйм в круглых скобках).
Как можно видеть из предыдущих примеров, значительные изменения могут быть внесены в цементные растворы согласно настоящему изобретению, которые остаются в объеме концепции изобретения. Также могут быть внесены изменения, иные, чем описанные.