РАСШИРЯЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА
EXPANSION COMPOSITION FOR GROUTING MORTAR

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании и креплении обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.
Известны расширяющиеся тампонажные растворы, содержащие портландцемент и порошок магнезитовый каустический в качестве расширяющейся добавки. Основу магнезитового каустического порошка составляет оксид магния, который является химически активной добавкой при высоких температурах (Каримов Н.X., Данюшевский В.С., Рахимбаев Ш.Р. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов. Обз. информ. Сер. «Бурение». М. ВНИИОЭНГ, 1980, с.15).
Недостатком известной добавки является малая активность и незначительное расширение тампонажного раствора и камня, низкая адгезионная способность к металлу обсадных труб и породе при нормальных и умеренных температурах.
Наиболее близким по составу, назначению и получению технического результата является расширяющая композиция для утяжеленного тампонажного раствора, содержащая железорудный концентрат, пластификатор феррохромлигносульфонат и порошок магнезитовый каустический (Патент РФ № 2170809, Е21В 33/138, 2001.07.20).
Недостатком состава является малая активность и незначительное расширение тампонажного раствора и камня при нормальных и умеренных температурах, высокая проницаемость камня.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение активности расширяющего компонента, повышающего адгезионные свойства тампонажного камня, снижающего его проницаемость и деформационные свойства в условиях нормальных и умеренных температур.
Поставленная задача решается тем, что расширяющая композиция для тампонажного раствора, содержащая порошок магнезитовый каустический и пластификатор, в качестве пластификатора содержит суперпластификатор «Полипласт СП-1» и дополнительно содержит коагулянт «Аква-Аурат» при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
порошок магнезитовый каустический
94,0-99,5
суперпластификатор «Полипласт СП-1»
0,1-2,0
коагулянт «Аква-Аурат»
0,4-4,0
Порошок магнезитовый каустический (ПМК) получается в результате улавливания пыли, образующейся при производстве спеченного периклазового порошка и выпускается следующих марок ПМК-90, ПМК-87, ПМК-83, ПМК-75 (ТУ - Порошки магнезитовые каустические, ГОСТ 1216-87). Порошки выпускается фракции 2-0; 009-0 мм. Физико-химические характеристики порошков магнезитовых каустических приведены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-химические характеристики ПМК
Наименование показателя
ПМК-90
ПМК-87
ПМК-83
ПМК-75
Массовая доля, %
Окись магния, не менее
90
87
83
75
Окись кальция, не более
2,2
1,8
2,5
4,5
Окись кремния, не более
2,0
1,8
2,5
3,5
Окись (железо + алюминий), не более
2,2
2,2
-
-
Изменение массы при прокаливании, % не более
5
6
8
18
Изменение массы при прокаливании после гидратации, % не менее
20
20
-
-
Массовая доля влаги, % не более
1
1
1,3
1,5
Плотность, г/см<sup>3</sup> в пределах
3,1-3,4
3,1-3,4
3,1-3,4
3,1-3,4
Суперпластификатор «Полипласт СП-1» представляет собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы и изготавливается в виде порошка по ТУ 5870-005-58042865-05.
Коагулянт для очистки воды «Аква-Аурат» изготавливается по ТУ 6-09-05-1456-96 и представляет собой солевую композицию солей алюминия (полиалюминий гидроксид хлорид, алюминий гидрооксихлорид).
Технический результат, достигаемый заявляемой композицией, - увеличение величины расширения цементного камня нормальной плотности и его адгезии, снижение проницаемости тампонажного камня, твердевшего при нормальных и умеренных температурах. Он достигается в результате синергетического эффекта взаимодействия трех компонентов композиции, обеспечивающего повышение ее активности и ранней гидратации окиси магния в составе порошка магнезитового каустического с образованием гидроксида магния, вызывающего расширение тампонажного материала.
Процесс интенсивной гидратации окиси магния совпадает по времени с периодом пластического состояния формирующейся структуры и не вызывает внутреннего напряжения в ней, что обеспечено взаимодействием с суперпластификатором. Это способствует большему расширению, повышению адгезии и снижению проницаемости тампонажного камня, повышенной его деформативности.
Таким образом, чтобы создать необходимые контактные напряжения без ухудшения свойств цементного камня, максимальное расширение получено в ранние сроки твердения, а затем, по мере роста модуля упругости, скорость и величина расширения должны уменьшаться таким образом, чтобы возникающие внутренние напряжения оставались бы меньше, чем прочность разрыва структурных связей цементного камня. В данном случае скорость структурообразования матрицы расширяющихся материалов больше, чем скорость кристаллизации расширения.
Основным же техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является повышение качества цементирования скважины с достижением показателя АКЦ, равного единице.
Для приготовления заявляемой композиции ее компоненты смешивали в смесительном агрегате. Показатели расширяющей композиции проверяли по ГОСтам на тампонажные растворы.
Пример 1
Приготовили расширяющую композицию путем смешивания 94 г (94 мас.%) ПМК 75, 2,0 г (2,0 мас.%) суперпластификатора «Полипласт СП-1» и 4,0 г (4,0 мас.%) коагулянта «Аква-Аурат». Готовый состав расширяющей композиции в количестве 15 г (15% массы раствора) смешивали с 85 г (85% массы раствора) тампонажного портландцемента и затворяли 40 мл воды. Приготовленный раствор испытывали согласно существующим методикам. Показатели приведены в таблице 2, опыт 4.
Пример 2
Приготовили расширяющую композицию путем смешивания 99,5 г (99,5 мас.%) ПМК 90, 0,1 г (0,1 мас.%) суперпластификатора «Полипласт СП-1» и 0,4 г (0,4 мас.%) коагулянта «Аква-Аурат». Готовый состав расширяющей композиции в количестве 20 г (20% массы раствора) смешивали с 80 г (80% массы раствора) тампонажного портландцемента и затворяли 42 мл воды. Приготовленный раствор испытывали согласно существующим методикам. Показатели приведены в таблице 2, опыт 5.
Из таблицы 2, в которой приведены результаты испытаний тампонажных растворов с расширяющей композицией, содержащей различные заявляемые соотношения компонентов, видно, что проницаемость образуемого цементного камня практически равна нулю, что говорит о его высокой плотности. Высокие показатели адгезии говорят о безусадочности камня. Расширение тампонажного раствора происходило в диапазоне температур от 20°С и выше, в то время как у известных магнезиальных цементов расширение происходит лишь после 70°С.
2
2
2
2
2
цк
4
4
3
Основное расширение в предлагаемом составе происходит в процессе схватывания цементного раствора. Взаимодействие солевого электролитного коагулянта «Аква-Аурат» со свободной окисью магния в составе ПМК приводит к быстрой гидратации и образованию комплексных гидроксидов магния, что расширяет температурный предел применения предлагаемого реагента в сторону более низких температур от 20 до 100°С. Электромикроскопическая структура твердеющего цементного камня с заявляемой расширяющей добавкой, представлена войлокообразной массой из удлиненных призматических кристаллов оксихлоридов магния и алюминия и их гексогональных гидроокисей. При дифракционных исследованиях на кривых прослеживаются не только пики Mg(ОН) (d=4,78; 2,36; 1,79; 1,568 А°), но и пики других гидратов магния (MgO·MgCl·13НО; MgO·MgCl·15HO-d=7,72; 2,39; 4,02; 2,41 А°). Это указывает на то, что в данной расширяющей композиции на основе порошка магнезитового каустического образуются устойчивые соединения, которые и обеспечивают более раннее расширение. Интенсивность уменьшения расширения в предлагаемом изобретении происходит при увеличении модуля упругости (Е) от 1·10 до 6·10 МПа (по расчетным данным). При этом для сохранения напряженного контакта упругая деформация цементного камня получается больше, чем деформация колонны при снижении давления в ней. Поэтому с ростом модуля упругости цементного камня его расширение должно уменьшаться. Расширение заканчивается в интервале времени от 8 до 24 ч с момента затворения и не приводит к необратимым нарушениям структуры тампонажного камня. Начальная растекаемость этих растворов составляет 20-23 см и плотность от 1,8 до 2,0 г/см.