Тампонажный материал
GROUTING MATERIAL

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, и конкретно к области получения специальных цементов, а именно тампонажных материалов для крепления нефтяных и газовых скважин.
Для повышения качества крепления нефтяных и газовых скважин применяют тампонажные материалы с использованием различных добавок, которые при возникновении трещин в цементном кольце вступают в реакцию с пластовым флюидом, уплотняют образующиеся трещины и, как следствие, восстанавливают герметичность затрубного пространства.
Самовосстановление цемента на ранних стадиях твердения исследовалось учеными из Харбинского института технологий после воздействия растягивающих нагрузок при различных условиях. Результаты испытаний показывают, что композитный цемент, рассчитанный на высокую пластичность при растяжении до нескольких процентов и с шириной трещины меньше 60 мкм, самозалечивается под воздействием окружающей среды в присутствии воды [Yang, Y., Yang, Е., Li, V. Autogenous Healing of Engineered Cementitious Composites at Early Age. Cement and Concrete Research 41(2). - 2011. - P. 176-183]. Однако восстановление у таких образцов происходит не так эффективно, как восстановление у более зрелых образцов при одинаковых нагрузках и окружающих условиях.
2
4
2-
Известен самовосстанавливающийся тампонажный материал, содержащий доменный шлак [Haoliang Huang, Guang Ye, Denis Damidot. Effect of blast furnace slag on self-healing of microcracks in cementitious materials // Article in Cement and Concrete Research - 2014. - P. 68-82]. Было обнаружено, что при высоком содержании шлака - то есть 66%, в цементном растворе с добавлением насыщенного раствора Са(ОН) в качестве активатора, в трещинах образуются продукты реакции - С - S - Н, эттрингит, гидрогранат и ОН-гидротальцит. Большое количество эттрингита, образованного в трещинах, указывает на выщелачивание ионов SO из основной массы и, следовательно, рекристаллизацию. Самовосстановление происходит быстро в течение 50 часов, а затем замедляется. Недостатком данного способа является незначительная величина восстановления цементов при нормальных и низких температурах.
Известен самовосстанавливающийся тампонажный материал, содержащий особенный вид бактерий [Henk Jonkers, Deft University, Patent № ЕР 2247551]. Эти бактерии были заключены в биоразлагаемый пластик, который разлагается при взаимодействии с водой. После того, как капсулы с бактериями подвергались воздействию воды, бактерии начинали питаться лактатом кальция и производить отложения кальция, которые в свою очередь являются гомогенными по отношению к цементному материалу, демонстрируя идеальную адгезию к последнему. Соответственно прочно сцепляясь с базовым материалом, продукт жизнедеятельности бацилл перекрывает канал, тем самым запечатывая канал миграции газа. Недостатком данного метода является низкая эффективность компонентов и сложность их подготовки.
Известен самовосстанавливающийся тампонажный материал, содержащий химически активный композитный материал, состоящий из гидрированного нитрил-бутадиенового каучука [Agathe R., Sudeep М., Simone М., Jeffrey J. Thomas, Francois M. Auzerais, Dingzhi Han, Meng Qua. Reactive elastomeric composites: When rubber meets cement // Composites Science and Technology. - 2013. - P. 77-83]. Добавка изначально выглядит и ведет себя, как резина, но под воздействием воды она одновременно набухает и застывает из-за гидратации цементного камня.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому эффекту является тампонажный состав для изоляции зон поглощения, включающий портландцемент и термопластичные блок-сополимерные частицы [Патент RU №2539054, опубл. 05.07.2011 г.]. В качестве «залечивающей» добавки используют стирол-изопрен-стирольные (СИС) и стирол-бутадиен-стирольные (СБС) частицы.
Недостатком указанного состава является недостаточная эффективность при изоляции трещин большого размера.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков.
12
14
Поставленная цель достигается тем, что самовосстанавливающийся тампонажный материал, включающий тампонажный портландцемент и набухающую добавку, отличающийся тем, что в качестве набухающей добавки используется набухающая резина, обработанная гидрофобизатором С-С и подвергнутая дезинтеграторной обработке, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Тампонажный портландцемент - 97-99
Набухающая резина - 1-3
12
14
Гидрофобизатор С-С - 0,05-0,5 сверх 100%.
Таким образом, в предлагаемом изобретении используется новые ингредиенты и новая технология, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».
Сущность изобретения заключается в следующем.
12
14
Гидрофобизатор С-С, покрывая поверхность набухающей резины, предотвращает ее набухание при приготовлении, закачке и продавке тампонажного раствора, исключая осложнения в процессе цементирования. Дезинтеграторная обработка обеспечивает дополнительное измельчение резины и равномерное покрытие ее гидрофобизатором.
После попадания воды или другого флюида в трещину, образовавшуюся в цементном кольце в результате различных технологических операций, резина гидратирует и набухает, перекрывая трещины в цементном камне, тампонажный материал, восстанавливает свою непроницаемость.
12
14
В научно-технической и патентной литературе ранее не приводились Гидрофобизатор С-С набухающей резины и последующее смешение полученного продукта с гидрофобизатором.
Таким образом, сказанное выше указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Пример реализации изобретения.
В качестве примера рассмотрим приготовление тампонажного материала с соотношением: тампонажный портландцемент - 98,5; набухающая резина - 1; гидрофобизатор - 0,5 (состав №4 из таблицы 1).
12
14
12
14
Гидрофобизатор С-С представляет собой алкилтриметиламмоний хлорид С-С. (АЛКАПАВ 1214).
Для приготовления тампонажного материала взято 500 г тампонажного портландцемента ПЦТ I-50 ГОСТ 1581-96 и 5,1 г набухающей резины и 2,5 г гидрофобизатора.
Набухающую резину смешали с жидким гидрофобизатором и подвергли обработке в дезинтеграторе. Далее набухающую резину в сухом виде перемешали с портландцементом, получая самозалечивающийся тампонажный материал. Из полученного тампонажного материала готовили тампонажный раствор с водоцементным отношением 0,5. Образцы цементного теста использовали для определения свойств, а также для проведения исследований по самовосстановлению цементного камня. Испытания полученного тампонажного материала проводили согласно ГОСТ 1581-96. Результаты испытаний данной пробы, а также других составов, приведены в таблице.
Для проверки самовосстановления цементного камня цементное тесто заливали в вертикальные цилиндрические формы, и в нем создавали искусственные каналы диаметром от 0,2 до 0,5 мм. После твердения в течение 2 суток через образцы камня фильтровали воду, имеющую химический состав аналогичный пластовой воде, и рассчитывали проницаемость образцов цементного камня (см. таблицу).
ПЦТ-1 - G - портландцемент класса G;
РК - резиновая крошка;
12
14
С-С - гидрофобизатор;
Дез - дезинтеграторная обработка;
ПВ - пластическая вязкость;
ДНС - динамическое напряжение сдвига;
СНС - статическое напряжение сдвига.
Увеличение количества резиновой крошки более 3% сильнее снижает проницаемость камня, но негативно сказывается на его прочности. При уменьшении количества резиновой крошки менее 1% залечивания пор не происходит.
Снижение количества гидрофобизатора менее 0,05% приводит к тому, что резина начинает взаимодействовать с жидкостью затворения еще на этапе закачки и продавки цементного раствора. Увеличение количества гидрофобизатора более 0,5% никак не сказывается на эффекте самозалечивания, поскольку избыток гидрофобизатора остается в растворе, а не на поверхности зерен резины.
Применение дезинтеграторной обработки обеспечивает большую диспергацию резиновой крошки, и в последующем, ее более равномерное распределение по объему раствора (камня) и лучший эффект залечивания каналов.
Таким образом, приведенный пример реализации изобретения показывает его соответствие критерию «практическая применимость».
На буровой из данного тампонажного материала по общепринятой технологии готовят тампонажный раствор.
Из таблицы видно, что разработанные по предлагаемому способу тампонажные материалы удовлетворяют ГОСТ 1581-96. Эффект самовосстановления тампонажного материала обеспечит высокую герметичность контактов: цементный камень - обсадная колонна и цементный камень - горная порода.
Определение самовосстановления цементного камня с содержанием резиновой крошки исследовалось с помощью портландцемента марки G. Был проведен опыт с использованием образцов цементного камня с различным процентным содержанием резиновой крошки и контрольного образца цементного камня с нормальной плотностью и с В/Ц, равным 0,5. По результатам, представленным в таблице, можно сделать вывод, что искусственно созданные каналы в цементном камне с добавлением резиновой крошки (1%) со временем закупориваются, что видно по снижению проницаемости камня.
Из литературы не известно совместное применение в тампонажных растворах диспергированной резины, обработанной гидрофобизатором.
Из литературы известно применение дезинтеграторной обработки для измельчения резиновой крошки для тампонажных растворов совместно с хлористым натрием [см. Авторское свидетельство СССР №1384724, Е21В 33/138, опубл. БИ №12, 1988. Облегченный тампонажный состав. Авт. Каримов Н.X. и др.], однако не известна дезинтеграторная обработка резиной крошки совместно с гидрофобизатором. Указанное свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию «изобретательский уровень».