РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ
EXPANDING BACKFILL MATERIAL

Изобретение относится к тампонажным материалам для цементирования нефтяных и газовых скважин в сложных геолого-технических условиях криолитозоны, требующих повышенной надежности разобщения пластов.
Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий портланцемент, гипс [RU, патент, 2013523, Е21В 33/138, 1994].
Недостатком этого материала является то, что образующийся цементный камень не создает плотный контакт с колонной и породой, т.е. не решает задачу надежной герметизации затрубного пространства, вследствие чего в процессе эксплуатации могут иметь место межпластовые перетоки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс и добавку [RU, патент, 2111341, Е21В 33/138, 1994].
Недостатком этого материала является недостаточный набор прочностных показателей в условиях твердения при отрицательной температуре (-1,6÷-3,8°С) вечномерзлых пород криолитозоны из-за большого срока начала схватывания (от 7 ч 20 мин до 8 ч 50 мин) вследствие быстрого охлаждения пластично-вязкой массы первоначальной смеси.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - обеспечение качества цементирования эксплуатационных колонн в условиях вечной мерзлоты за счет ускорения режима твердения цементного материала и приобретения им заданной прочности сцепления с колонной и мерзлой породой.
Техническим результатом является создание тампонажного материала, который обеспечивал бы заданную прочность и адгезионную способность цементного камня с колонной и вечномерзлой породой, обладал устойчивым расширением.
Поставленная задача и технический результат выполняются тем, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал включает портландцемент, гипс и добавку и в отличие от известного в качестве добавки содержит цеолит и известный суперпластификатор С-3 при следующем содержании компонентов, мас.%:
Портландцемент
22-30
Гипс
50-60
Цеолит
18-20
Суперпластификатор С-3
2
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал отличается от известного введением новых компонентов - цеолита и суперпластификатора С-3.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», поскольку использование изобретения позволяет осуществить существующую потребность и соответствует критерию «изобретательский уровень».
2
3
4
2
Сухую смесь, состоящую из портландцемента, гипса, цеолита и суперпластификатора С-3, получают путем совместного тонкого помола исходных компонентов. При этом гидравлическая составляющая, состоящая из портландцемента и цеолита, улучшает такие свойства как водостойкость и прочность затвердевшего камня, а также обуславливает расширение за счет образования высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция - эттрингита 3CaO·AlO·3CaSO·32HO. Добавка цеолита регулирует процесс его образования, разбивая его излишки на низкоосновные гидросиликаты кальция CSH(B).
Образование достаточного количества этого соединения на определенных этапах формирования затвердевшего камня обуславливает компенсацию естественной усадки камня, фиксированное расширение в требуемых пределах, а также уплотнение его структуры. Образование эттрингита происходит в ранние сроки твердения, что обеспечивает рост прочности образующегося камня.
Добавка суперпластификатора С-3 позволяет снизить водопотребность смеси и обеспечить необходимую растекаемость теста при меньших расходах воды (см. табл.1). Суперпластификатор С-3 вводится в цеолит при помоле в количестве 1% от массы цеолита, а остальное количество вводится в смесь при совместном помоле всех компонентов.
Были приготовлены шесть составов материала согласно изобретению (гипс, портландцемент, цеолит, суперпластификатор С-3). Приготовление образцов осуществлялось путем затворения гомогенизированной смеси гипса, портландцемента, цеолита и суперпластификатора С-3 водой, перемешивание осуществлялось в лабораторной мешалке в течение 1 мин. Плотность, растекаемость, сроки схватывания, прочность при изгибе и прочность сцепления определены по методикам, изложенным в ГОСТ 26789.0-96 - 26789.2-96, а степень расширения - по ГОСТ 11052-74.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Из представленных данных следует, что сроки схватывания предлагаемого материала в зависимости от количества вводимой добавки портландцемента и цеолита значительно меньше сроков схватывания прототипа. При этом прочность при изгибе в 1,2 раза и прочность на сцепление в 1,4 раза превышают прочностные характеристики прототипа. Анализ результатов линейных деформаций позволяет сделать вывод о том, что во всех случаях наблюдается прогрессивное расширение, которое интенсивно нарастает в течение первых суток твердения и обнаруживает тенденцию к стабилизации к 7 сут твердения.
Оптимальные составы материала (составы 1, 2 и 3 по табл.1) согласно изобретению выбраны по срокам начала схватывания, превышающим 10 мин, что необходимо для приготовления и подачи тампонажного материала в полость между металлической колонной и вечномерзлой породой посредством турбулентного баробетоносмесителя «Турбо-0,25» на месте применения.
Использование предлагаемого тампонажного материала позволяет решить проблему обеспечения качества цементирования эксплуатационных колонн в условиях вечной мерзлоты за счет ускорения режима твердения цементного материала и приобретения им заданной прочности сцепления с колонной и мерзлой породой, упростить и удешевить технологию цементирования за счет применения местных сырьевых ресурсов, на основе которых в заводских условиях может выпускаться качественная сухая смесь для получения тампонажного материала.
Тампонажный расширяющийся материал не образует токсичных соединений, пожаробезопасен.
Таблица 1Физико-механические свойства расширяющегося тампонажного материала
№ пп
Состав, мас.%
В/С
Плот-ность, г/см<sup>3</sup>
Расте-каемость, см
Сроки схватывания, мин-с
Проч-ность на изгиб,2 сут, МПа
Прочность на сцепле-ние, 2 сут, МПа
Линейное расширение, %
порт-ландце-мент
гипсовое вяжущее
цеолит
С-3
начало
конец
1 сут
7 сут
14 сут
30 сут
90 сут
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
30
50
20
2
0,3
1,76
21,5
14-30
15-30
4,0
4,7
0,28
0,3
0,3
0,3
-
2
26
55
19
2
0,3
1,74
21,0
13-45
14-30
3,9
4,6
0,31
0,4
0,4
0,4
-
3
22
60
18
2
0,3
1,71
20,5
12-30
13-30
3,7
4,3
0,32
0,4
0,4
0,4
-
4
18
65
17
2
0,3
1,68
20,0
8-30
9-30
3,5
4,2
0,31
0,4
0,4
0,4
-
5
14
70
16
2
0,3
1,67
20,0
8-15
9-00
3,3
4,0
0,24
0,3
0,3
0,3
-
6
10
75
15
2
0,30
1,66
19,5
6-30
7-30
3,0
3,6
0,22
0,3
0,3
0,3
-
Прототип
96
2
2
-
0,5
1,81
22,5
7 ч 20 мин
7 ч 50 мин
2,9
3,8
0,10
0,27
0,3
0,3
0,3