КОМПОЗИЦИЯ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ С УСТОЙЧИВОЙ ПЕНОЙ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
CEMENT GROUT COMPOSITION WITH STABLE FOAM AND METHOD OF PREPARING SAID COMPOSITION

Изобретение относится к цементным растворам с устойчивой пеной. Более конкретно - настоящее изобретение относится к цементным растворам с устойчивой пеной, в которых растворы включают цемент, при этом пеногенератор содержит ионное пенообразующее вещество, включающее поверхностно-активное вещество и анионный полимер или катионный полимер с цвиттерионным поверхностно-активным веществом или без него. Вспененные цементы согласно данному изобретению имеют улучшенные характеристики вспенивания, превышающие обычные характеристики приблизительно на 10-80% при атмосферном давлении и образуют пены, устойчивые при температурах от комнатной температуры приблизительно до 350°F.
Использование пенообразующих веществ для получения легковесных цементных композиций было впервые описано в патенте США № 5711801 на имя Chatterji et al., при этом плотность раствора составляла приблизительно от 6 до 16 фунтов на галлон в результате добавления от 5 до 80% об. газовой фазы для формирования получаемой вспененной композиции. После этого в патентах США №№ 5897699, 5900053, 5966693, 6063738, 6227294, 6244343, 6336505, 6364945, 6367550, 6547871, 6797054, 6619399, 6955294, 6336505, 6953505, 6835243, 7008477, 7013975 и 7191834 было описано использование систем поверхностно-активных веществ на основе пенообразователя и стабилизатора пен, таких как альфа-олефиновое сульфонированное, этоксилированное поверхностно-активное вещество из сульфата простого эфира спирта, алкильное или алкеновое амидопропиловое бетаиновое поверхностно-активное вещество, оксид диметиламина алкильного или алкенового амидопропила, гидролизованный кератин, соль аммония сульфата простого алкилового эфира, кокамидопропилгидроксисултаин, кокамидопропилдиметилоксид, каприл/капрамидопропилбетаин, оксид каприл/капрамидопропилдиметиоамина. В патенте США № 6235809 описано использование полиакрилата натрия и терполимера AMPS для стабилизации вспененных цементных систем.
Несмотря на широкую известность вспененных цементных композиций, в данной области техники все еще существует потребность в дополнительных вспененных цементных композициях, особенно композициях, имеющих улучшенные характеристики вспенивания.
Настоящее изобретение касается сжимаемых, легковесных, быстросхватывающихся цементных композиций для скважин, которые отверждаются в виде по существу непроницаемой массы с большой сжимающей силой, а также способов использования таких композиций в операциях по заканчиванию и ремонту скважин. Такие композиции и способы подходят для цементирования в скважинах, где должны быть использованы легковесные цементные композиции или композиции с более низкой плотностью, способные предотвратить проникновение пластовой жидкости и/или газа под давлением в цементные композиции при их схватывании. Такие цементные композиции и способы особенно подходят для осуществления первичных цементных операций в глубоких скважинах благодаря тому, что цементные композиции являются легковесными, имеют низкую потерю жидкости, имеют краткую продолжительность перехода, являются сжимаемыми и имеют хорошие теплоизоляционные свойства.
Как описано ниже, цементные композиции согласно данному изобретению вспениваются газом и, следовательно, имеют относительно низкую плотность, т.е. плотность в диапазоне приблизительно от 6 до 16 фунтов на галлон.
Дальнейшее преимущество цементных композиций согласно данному изобретению при их использовании для первичного цементирования заключается в том, что в результате вспенивания такие композиции становятся сжимаемыми. Иными словами, при подаче в цементируемое кольцевое пространство цементную композицию согласно данному изобретению подвергают сжатию под давлением, превышающем давление, при котором в кольцевое пространство затекают пластовые жидкости, тем самым повышая сопротивление цементной композиции потоку пластовой жидкости во время ее перехода. Это происходит благодаря расширению сжатого газа, компенсирующему гидратацию, и снижению объема потери жидкости во время схватывания. При таком же снижении объема давление в несжимаемой цементной композиции существенно снизится, в то время как давление в сжимаемой цементной композиции останется относительно постоянным до ее схватывания, тем самым предотвращая поступление воды и/или газа в кольцевое пространство и их прохождение через схватывающийся цемент.
Следующее преимущество цементных композиций согласно данному изобретению заключается в том, что в результате вспенивания такие композиции обеспечивают высокую термоизоляцию между стволом скважины и зацементированной в нем трубой. Композиция невспененного цемента обычно имеет удельную теплопроводность, равную 0,35 BTU (час*фут*°F), в то время как композиция вспененного цемента такой же плотности имеет удельную теплопроводность, равную 0,15 BTU (час*фут*°F). Виды использования цементных композиций, имеющих низкую удельную теплопроводность, включают, но не ограничиваются ими, скважины с закачиванием пара или скважины, проникающие в вечную мерзлоту или гидратированные газом формирования.
6
6
Очередное преимущество вспененной цементной композиции заключается в том, что после схватывания диспергированный газ в схватившемся цементе повышает пластичность схватившегося цемента по сравнению с невспененными видами цемента. Вспененные виды цемента имеют модуль Юнга, равный приблизительно 0,02*10 фунтов на кв. дюйм по сравнению с видами цемента без пор, имеющими модуль Юнга, равный приблизительно 2,5*10 фунтов на кв. дюйм.
Цементные композиции согласно данному изобретению в основном состоят из цемента, воды или замещающей воду жидкости на основе воды, присутствующей в количестве, достаточном для формирования пригодного для перекачки раствора; газа, присутствующего в количестве, достаточном для вспенивания раствора и получения плотности раствора, составляющей приблизительно от 6 до 16 фунтов на галлон; пенообразующего вещества для облегчения вспенивания цементной композиции и, необязательно, стабилизирующего пену вещества для поддержания цементной композиции во вспененном состоянии во время ее закачки и схватывания.
Настоящее изобретение касается стабильных вспененных цементных растворов, содержащих цемент и пеногенератор, включающий ионную гелевую систему. Ионная гелевая система включает ионное взаимодействие между: (1) катионным поверхностно-активным веществом (веществами) и анионной полимерной/цвиттерионной системой (системами) поверхностно-активных веществ или (2) анионным поверхностно-активным веществом (веществами) и катионной полимерной/цвиттерионной системой (системами) поверхностно-активных веществ. Получаемые вспененные цементы имеют улучшенные характеристики вспенивания, превышающие обычные характеристики приблизительно на 10-80% при атмосферном давлении, и образуют пены, устойчивые при температурах от комнатной температуры приблизительно до 350°F.
Настоящее изобретение касается улучшенных легковесных, быстросхватывающихся цементных композиций для скважин и способов, решающих вышеупомянутые проблемы и устраняющих недостатки известных способов. Описываемые цементные композиции в основном включают шлаковый цемент, при этом вода или заменяющая воду жидкость на основе воды присутствует в композиции в количестве, достаточном для формирования пригодного для перекачки раствора; газ присутствует в количестве, достаточном для вспенивания раствора и получения плотности раствора, составляющей приблизительно от 6 до 16 фунтов на галлон, пенообразующее вещество и стабилизирующее пену вещество.
Настоящее изобретение касается способа вспенивания цемента, включающего стадию добавления вспенивающей композиции, включающей ионную гелевую систему. Ионная гелевая система включает ионное взаимодействие между: (1) катионным поверхностно-активным веществом (веществами) и анионной полимерной/цвиттерионной системой (системами) поверхностно-активных веществ или (2) анионным поверхностно-активным веществом (веществами) и катионной полимерной/цвиттерионной системой (системами) поверхностно-активных веществ. До, во время или после добавления вспенивающей композиции в цемент инжектируют газ для формирования вспененного цемента.
Настоящее изобретение также касается способа, включающего стадию закачивания легковесной, быстросхватывающейся, сжимаемой цементной композиции согласно данному изобретению в зону в течение периода времени, достаточного для того, чтобы цементная композиция схватилась в ней в высокопрочную, по существу непроницаемую массу.
Было обнаружено, что может быть получен состав стабилизированного вспененного цемента, обеспечивающий получение вспененного цемента, имеющего улучшенные характеристики вспенивания. Стабилизированный вспененный цемент включает пеногенератор, содержащий ионносвязанный (или электровалентносвязанный) продукт, сформированный взаимодействием катионных полимеров и/или анионных полимеров с имеющей противоположные заряды пенообразующей системой. В качестве пенообразующей композиции согласно данному изобретению его авторы получили пенообразующие композиции, включающие раствор катионного полимера, такого как хлорид полидиаллилдиметиламмония, и анионной пенообразующей системы, такой как лаурилсульфат натрия, увеличивающем высоту пены и придающим стабильность вспененному цементному раствору. Авторы данного изобретения также обнаружили, что получаемые вспененные цементные растворы могут также включать стабилизирующий агент, включающий кокоамидопропилбетаин и оксид кокоамина, обеспечивающие дальнейшую стабилизацию структуры и текстуры цементной пены.
Настоящее изобретение в широком смысле относится к вспененному цементу, имеющему улучшенные характеристики вспенивания, при этом такой цемент включает полимер с противоположным зарядом и пеногенератор для стабилизации получаемой пены. Цемент может также включать стабилизирующий агент для дальнейшей стабилизации получаемой пены. Только в патенте США № 6364945 едва упомянуто об использовании содержащего макрочастицы поперечносшитого геля с использованием гидроксиалкилцеллюлозы, привитой винилфосфоновой кислотой и поперечносшитого основания Bronsted-Lowry или Льюиса. Затем такой гель подвергают деструкции окислительными и ферментными способами. Данная гелевая система предназначена для формирования проницаемого цемента в виде песочного сита. Однако в такой системе не происходит взаимодействия между содержащей макрочастицы поперечносшитой системой и пенообразующим агентом для стабилизации вспененного цементного раствора.
Настоящее изобретение также в широком смысле относится к способу цементирования зоны в скважине, в основном включающего стадии заливки легковесной, быстросхватывающейся цементной композиции для скважин согласно данному изобретению, которая схватывается в виде высокопрочной, по существу непроницаемой массы в подземной цементируемой зоне, и удерживания цементной композиции в зоне в течение периода времени, достаточного для схватывания в ней цементной композиции.
На цементном рынке имеется спрос на устойчивые виды цементной пены, поэтому в данном изобретении подчеркивается тот факт, что ионные связанные гели, введенные в цементный раствор, обеспечивают устойчивость пены.
Добавление загустителя, совместимого с цементом, и поперечное сшивание загущающего агента обеспечивают получение устойчивой пены при повышенных температурах. Новизна данной практики заключается в том, что пенообразователь выполняет функции как поперечносшивающего агента, так и пенообразующего вещества.
В предлагаемых в настоящее время на рынке продуктах используют пенообразователи на обычной основе с натуральной добавкой в качестве стабилизатора. В предлагаемом продукте использована лучшая поперечносшивающая система для получения стабилизированного синтетического продукта.
Как упомянуто выше, предлагаются другая химия и другая методология, обеспечивающие превосходные характеристики.
Подходящие реагенты
Цемент
Подходящие виды цемента, применимые в данном изобретении, включают, без ограничений, все классы цемента по классификации API (Американский нефтяной институт), другие виды цемента, используемые на нефтяных промыслах, шлаковые цементы либо их смеси или сочетания.
Подходящие шлаковые цементы, применимые для осуществления данного изобретения, включают, без ограничений, микроизмельченный шлак, активатор, такой как известь, и другие добавки, такие как диспергаторы. Микроизмельченный шлак представляет собой гранулированный побочный продукт доменной печи, образующийся при производстве литейного чугуна, и в основном состоит из окисленных загрязняющих примесей, присутствующих в железной руде. Во время операции доменной печи по извлечению железа из железной руды формируется расплавленный побочный продукт. Путем предотвращения кристаллизации расплавленного продукта и, тем самым, потери его энергии кристаллизации, может быть сформирован переохлажденный жидкий или некристаллический стеклообразный материал. Некристаллический стеклообразный материал, который также был описан как стеклянное вещество, свободное от кристаллических материалов, согласно результатам рентгеновского дифракционного анализа способен проявлять некоторую гидравлическую активность после уменьшения размера его частиц путем измельчения приблизительно до 1-100 микрон.
Кристаллизацию расплавленного побочного продукта доменной печи предотвращают и переохлажденную стеклообразную жидкость формируют путем быстрого охлаждения расплавленного побочного продукта. Такое быстрое охлаждение может быть осуществлено путем орошения расплавленного побочного продукта потоками воды, что вызывает быстрое затвердение и формирование водяной суспензии небольших пескообразных частиц. Воду удаляют из суспензии, а оставшиеся крупные частицы измельчают до небольшого размера, имеющего дисперсность по Blaine, составляющую приблизительно от 5000 до 7000, наиболее предпочтительно - приблизительно от 500 до 6000 квадратных сантиметров на грамм.
2
Один или более активаторов, придающих гидравлическую активность шлаку при низких температурах, добавляют к шлаку. Такие активаторы включают гидратированную известь, Са(ОН), гидроксид натрия, сульфат натрия, карбонат натрия, силикат натрия и портландцемент. Используемый активатор или активаторы объединяют с измельченным шлаком в количестве, составляющем приблизительно от 0,5 до 10% от массы шлака.
Согласно одному из вариантов, шлаковый цемент, используемый в настоящем изобретении, состоит из измельченного шлака, имеющего дисперсность по Blaine, составляющую около 5900 квадратных сантиметров на грамм; карбоната натрия, присутствующего в количестве, составляющем около 2% от массы измельченного шлака, и диспергатора, присутствующего в количестве, составляющим около 1,4% от массы шлака.
Вода
Подходящая вода, которая может быть использована в цементных композициях согласно данному изобретению, включает, без ограничений, воду из любого источника при условии, что она не содержит избыточное количество соединений, нежелательным образом взаимодействующих или каким-либо иным способом влияющих на другие компоненты в цементных композициях. Например, вода может представлять собой пресную воду, соленую воду, соляные растворы или морскую воду. Вместо воды может быть также использована любая доступная жидкость на основе воды, не взаимодействующая нежелательным образом с компонентами в цементной композиции. Например, буровой раствор для скважин на основе воды, имеющийся на рабочей площадке скважины, может быть использован как таковой или в сочетании с водой. При разработке морских месторождений удобно использовать морскую воду для формирования цементных композиций. Используемая вода присутствует в цементной композиции согласно данному изобретению в количестве, достаточном для формирования пригодного для перекачки раствора шлакового цемента. Обычно вода присутствует в диапазоне, составляющем приблизительно от 20 до 80% от массы шлакового цемента в композиции.
Подходящие газы, применимые во вспененном цементном растворе согласно данному изобретению, включают, без ограничений, азот, воздух либо иные газообразные смеси кислорода-азота, или любой другой газ, не оказывающий нежелательного воздействия на формирование цемента либо его смесей или сочетаний. Согласно некоторым вариантам используемый в различных видах цемента газ представляет собой азот. Обычно газ присутствует в количестве, достаточном для вспенивания цементного раствора и получения плотности раствора, составляющей приблизительно от 6 до 16 фунтов на галлон, т.е. в количестве, составляющем приблизительно от 5 до 75% об. от получаемой вспененной композиции.
Анионные полимеры
l
Подходящие анионные полимеры, применимые в настоящем изобретении, включают, без ограничений, сополимеры акриламида и акриловой кислоты, терполимеры акриламида-акриловой кислоты-AMPS, поли--глютаматы, сульфонаты полистирола натрия, сульфонаты полистирола калия, сополимеры метакриламида и акриловой кислоты, сополимеры акриламида и метакриловой кислоты, сополимеры метакриламида и метакриловой кислоты, полимеры, включая акриламид, акриловую кислоту, метакриламид, метакриловую кислоту, а также их смеси или сочетания.
Катионные полимеры
Подходящие катионные полимеры, применимые в настоящем изобретении, включают, без ограничений, гомополимеры четвертичных солей аммония, таких как хлорид полидиаллилдиметиламмония, сополимеры четвертичных солей аммония и акрилового амида, сополимеры четвертичных солей аммония и диоксида серы, блоксополимеры четвертичных солей аммония и эпихлоргидрина, катионные полиакриламиды, а также их смеси или сочетания.
Поверхностно-активные вещества
Подходящие пенообразующие вещества, применимые в настоящем изобретении, включают, без ограничений, одно катионное поверхностно-активное вещество или их смесь либо одно анионное поверхностно-активное вещество или их смесь.
Подходящие катионные поверхностно-активные вещества включают, без ограничений, любое катионное поверхностно-активное вещество, такое как соли монокарбиламмония, соли дикарбиламмония, соли трикарбиламмония, соли монокарбилфосфония, соли дикарбилфосфония, соли трикарбилфосфония, соли карбилкарбокси, четвертичные соли аммония, имидазолины, этоксилированные амины, четвертичные фосфолипиды, гемини, бис- или ди-четвертичные аммониевые поверхностно-активные вещества, такие как бис-четвертичные аммониевые галоиды или бис-галогенированный этан, пропан, бутан, или высшие галогенированные алканы, например, дихлорэтан или дибромэтан, либо бис-галогенированные простые эфиры, такие как дихлорэтилэфир (DCEE). Предпочтительные бис-четвертичные аммониевые галоиды получают из замещенных диметилтретичных аминов, в которых заместитель содержит приблизительно от 4 до 30 атомов углерода, предпочтительно, приблизительно от 6 до 24 атомов углерода, в частности приблизительно от 8 до 24 атомов углерода, и в которых один или более атомов углерода могут быть замещены атомом кислорода в виде остатка простого эфира и/или гидроксила, и/или атомом азота в виде амидоостатка. Особенно предпочтительные углеводородные бис-четвертичные аммониевые галоиды получают из природных кислот, таких как жирные кислоты, синтетические кислоты, модифицированные природные кислоты, либо их смесей или сочетаний. Предпочтительные природные кислоты - это кислоты, встречающиеся в природных растительных маслах, таких как кокосовое масло, пальмовое масло, косточковое пальмовое масло, соевое масло, сафлоровое масло, подсолнечное масло, арахисовое масло, масло canola, или животных жирах, таких как твердый животный жир и его производные. Предпочтительные бис-четвертичные аммониевые галоиды получают из дизамещенных метилтретичных аминов, в которых заместитель содержит приблизительно от 4 до 30 атомов углерода, предпочтительно, приблизительно от 6 до 24 атомов углерода, в частности, приблизительно от 8 до 24 атомов углерода, и в которых один или более атомов углерода могут быть замещены атомом кислорода в виде остатка простого эфира и/или гидроксила, и/или атомом азота в виде амидоостатка, таких как амидопропил третичные амины, полученные в результате взаимодействия диметиламинопропиламина (DMAPA) или первичных-третичных диаминов с подобным окончанием, подвергнутых взаимодействию с вышеупомянутыми маслами или их соответствующими жирными кислотами, либо оксикислотами. Другие предпочтительные катионные поверхностно-активные вещества представляют собой димерные кислоты или ангидриды, включая алкилзамещенный малеиновый ангидрид, алкилзамещенную диэтилмалоновую кислоту, или алкилзамещенные высшие дикислоты, такие как азелаиновая кислота (С9), тримерные кислоты, такие как NTA (нитрилоуксусная кислота); применимыми также являются аконитовая кислота и тримеллитовый ангидрид, хотя они и приводят к получению высшего тримера. Получение третичного амина может быть завершено взаимодействием диамина с жирной кислотой или маслом, взаимодействием с одним амином, а затем превращением другого первичного амина в третичный путем добавления тетрагидрофурана, этиленоксида, пропиленоксида, бутиленоксида, эпихлоргидрина или т.п., после чего концевые водороды первичного амина могут быть алкилированы с использованием смесей формальдегида/муравьиной кислоты.
1
-
+
+
+
+
+
1
3
4
Подходящие анионные поверхностно-активные вещества включают, без ограничений, анионное сульфатное поверхностно-активное вещество, сульфонаты простого эфира алкила, алкиларилсульфонаты либо их смесь или сочетания. Иллюстративные примеры натриевых, аммониевых или калиевых сульфатных поверхностно-активных веществ включают ПАВ, имеющие общую формулу R-SO X, где X выбран из группы, состоящей из Na, K, NH , либо их смесей или сочетаний, R представляет собой углеродсодержащую группу, включающую алкилгруппу, арилгруппу, алкарилгруппу, аралкилгруппу или их смесь. В некоторых вариантах анионные поверхностно-активные вещества включают натриевые, аммониевые или калиевые поверхностно-активные вещества, содержащие натриевые, аммониевые или калиевые сульфатные поверхностно-активные вещества, включающие от 2 до приблизительно 20 атомов углерода, в частности приблизительно от 4 до 18 атомов углерода, и, более конкретно, приблизительно от 12 до 18 атомов углерода.
Предпочтительные алкиларилсульфонаты включают, без ограничений, алкилбензолсульфоновые кислоты и их соли, диалкилбензолдисульфоновые кислоты и их соли, диалкилбензолсульфоновые кислоты и их соли, алкилтолуол/алкилксиленсульфоновые кислоты и их соли, алкилнафталинсульфоновые кислоты/конденсированные алкилнафталин сульфоновые кислоты и их соли, алкилфенолсульфоновые кислоты/конденсированные алкилфенолсульфоновые кислоты и их соли либо их смеси или сочетания.
2
3
4
5
2
3
4
4
5
4
y
2
4
3
6
4
8
7
14
3
30
60
3
7
14
3
30
60
3
7
14
3
30
60
3
Предпочтительные сульфонаты простого эфира алкила включают, без ограничений, сульфонаты простого эфира алкила, имеющие общую формулу R[-(O-RO)m-(RO)n-(R)], в которой R= алкил, алкенил, амин, алкиламин, диалкиламин, триалкиламин, ароматическое соединение, полиароматическое соединение, циклоалкан, циклоалкен, R, R= СН или СН, или СН, R = линейный или разветвленный CHSOX-CHSOX, когда y=1, R = линейный или разветвленный CHSOX-CHSOX или Н, когда y>1, однако по меньшей мере один из R должен представлять собой линейный или разветвленный CHSOX-CHSOX, М больше или равно 1, n больше или равно 0, n+m=1-30+, y больше или равен 1, Х = щелочной металл, щелочноземельный металл или аммоний, или амин.
Согласно другим вариантам анионные поверхностно-активные вещества представляют собой натриевую соль альфа-олефиновых сульфоновых кислот (AOS), представляющих собой смеси соединений формул:
X[H(CH<sub>2</sub>)<sub>n</sub>-C==C-(CH<sub>2</sub>)<sub>m</sub>OSO<sub>3</sub> <sup>-</sup>Na<sup>+</sup>]
И
Y[H(CH<sub>2</sub>)<sub>p</sub>-COH-(CH<sub>2</sub>)<sub>q</sub>OSO<sub>3</sub> <sup>-</sup>Na<sup>+</sup>]
в которых n и m по отдельности представляют собой целые числа в диапазоне приблизительно от 6 до 16; p и q по отдельности представляют собой целые числа в диапазоне приблизительно от 7 до 17; Х и Y имеют дробные значения, сумма Х и Y равна 1, а также их смеси и сочетания.
Согласно другим вариантам анионные поверхностно-активные вещества содержат сульфаты простого эфира спирта формулы:
H(CH<sub>2</sub>)<sub>а</sub>-(OC<sub>2</sub>H<sub>4</sub>)<sub>b</sub>OSO<sub>3</sub> <sup>-</sup>NH<sub>4</sub> <sup>+</sup>
в которой а представляет собой целое число в диапазоне приблизительно от 6 до 10, а b представляет собой целое число в диапазоне приблизительно от 3 до 10, а также их смеси и сочетания.
Согласно другим вариантам пенообразующее вещество представляет собой лурилсульфат натрия.
Выбор конкретного используемого пенообразующего вещества зависит от различных факторов, таких как типы формирований, в которые закачивают вспененный цемент, и т.д. Обычно используемое пенообразующее вещество включают в цементную композицию согласно данному изобретению в количестве, составляющем приблизительно от 0,5 до 10 мас.% от массы воды в композиции. В том случае, если пенообразующее вещество представляет собой одно из предпочтительных, описанных выше поверхностно-активных веществ, его включают в композицию в количестве, составляющем приблизительно от 0,5 до 10 мас.% от массы воды в композиции.
Стабилизирующие агенты
Подходящие стабилизирующие агенты, применимые в различных видах вспененного цемента согласно данному изобретению, включают, без ограничений, цвиттерионные соединения, оксиды аминов, алкилированные оксиды полиалкиленов либо их смеси или сочетания.
6
7
8
+
9
-
6
7
8
9
10
7
8
+
9
-
7
8
9
10
12
11
13
+
7
8
9
-
7
8
11
12
9
13
14
15
11
13
+
7
8
9
-
7
8
11
9
13
15
14
2
2
n
2
2
2
m
Н
Подходящие цвиттерионные соединения включают, без ограничений: (1) любое соединение, имеющее общую структуру R,R,RN - R- CO , в которой R, R и R представляют собой одинаковые или различные углеродсодержащие группы, амидные углеродсодержащие группы, эфирные углеродсодержащие группы или их смеси, а Rпредставляет собой алкенилгруппу, алкенилоксидгруппу или их смеси; (2) любое соединение, имеющее общую структуру R(R,RN - R- CO ), в которой R и R представляют собой одинаковые или различные углеродсодержащие группы, амидные углеродсодержащие группы, эфирные углеродсодержащие группы или их смеси, Rпредставляет собой алкенилгруппу, алкенилоксидгруппу или их смеси; a Rпредставляет собой многовалентный заместитель, имеющий валентность n, составляющую от 2 до приблизительно 6, например, остаток CH, если n равно 2, остаток CH, если n равно 3 и атом C, если n равно 4; (3) любое соединение, имеющее общую структуру R- C(O) - N(R) - R - N(R,R) - R- CO , в которой R, R, Rи Rпредставляют собой одинаковые или различные углеродсодержащие группы, амидные углеродсодержащие группы, эфирные углеродсодержащие группы или их смеси, а Rи Rпредставляет собой одинаковые или различные алкенилгруппы, алкенилоксидгруппы или их смеси; (4) любое соединение, имеющее общую структуру R-[R- C(O) - N(R) - R - N(R,R) - R- CO ], в которой R, Rи Rпредставляют собой одинаковые или различные углеродсодержащие группы, амидные углеродсодержащие группы, эфирные углеродсодержащие группы или их смеси, R, Rи Rпредставляют собой одинаковые или различные алкенилгруппы, алкенилоксидгруппы или их смеси; a Rпредставляет собой многовалентный заместитель, имеющий валентность m, составляющую от 2 до приблизительно 6; другой подобный цвиттерионный агент аммониевой кислоты; либо их смеси или сочетания. Предпочтительные цвиттерионные соединения представляют собой бетаины, такие как кокамидопропилбетаин, 5-(1-пиперидинометил)-1-тетразолид или подобные цвиттерионные соединения. Другие цвиттерионные соединения, применимые в данном изобретении, включают, без ограничения, фосфолипиды, способные приобретать цвиттерионное состояние, такие как фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, сфингомиелин и другие керамиды, равно как и другие различные цвиттерионные фосфолипиды. Предпочтительные сульфобетаины и родственные им цвиттерионные соединения включают, без ограничения, N-децил-N,N-диметил-3-аммонио-1-пропансульфонат, диметилбензил-(3-сульфопропил)аммоний, диметилэтил-(3-сульфопропил)аммоний, диметил-(2-сульфопропил)аммоний, диметил-(2-гидроксиэтил)-(3-сульфопропил)аммоний, 4-н-гексилбензоиламидо-пропил-диметиламмониосульфобетаин, метил-N-(3-сульфопропил)морфолиний, 4-н-октилбензоиламидо-пропил-диметиламмониосульфобетаин, 1-(3-сульфопропил)пиридий, N-тетрадецил-N,N-диметил-3-аммонио-1-пропансульфонат или т.п. либо их смеси или сочетания.
Согласно некоторым вариантам цвиттерионные соединения имеют формулу:
R-CONHCH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>N<sup>+</sup>(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CO<sub>2</sub> <sup>-</sup>
10
18
в которой R представляет собой C-С насыщенную алифатическую углеводородную группу или олеиловую группу, или линолеиловую группу и их смеси или сочетания.
Согласно другим вариантам цвиттерионное соединение имеет формулу:
R-CONHCH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>N<sup>+</sup>(CH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CO<sub>2</sub> <sup>-</sup>
в которой R представляет собой кокорадикал.
Подходящие оксиды амина, применимые в настоящем изобретении, включают, без ограничения, соединения формулы:
16
17
1
4
11
16
в которой группы R независимо выбраны из C-С карбилгрупп, в которых один или более атомов углерода могут быть замещены атомом О, атомом S, группой CONR либо другим атомом или группой, имеющей гидрофобные признаки, и в которых один или более атомов водорода могут быть замещены атомом галогена или группами с водородоподобными признаками, в которых R представляет собой алкилгруппу, а группа R представляет собой разветвленную C-С карбилгруппу, в которой один или более атомов углерода могут быть замещены атомом О, атомом S, группой CONR либо другим атомом или группой, имеющей гидрофобные признаки, и в которой один или более атомов водорода могут быть замещены атомом галогена или группами с водородоподобными признаками, в которых R представляет собой алкилгруппу.
16
16
17
12
13
Согласно некоторым вариантам группы R представляют собой метил-, этил- и гидроксиэтилгруппы. Согласно другим вариантам группы R представляют собой метилгруппы. Согласно некоторым вариантам, группа R представляет собой C-С карбилгруппу, в которой один или более атомов углерода могут быть замещены атомом О, атомом S, группой CONR либо другим атомом или группой, имеющей гидрофобные признаки, и в которой один или более атомов водорода могут быть замещены атомом галогена или группами с водородоподобными признаками, в которых R представляет собой алкилгруппу.
Иллюстративные примеры оксидов амина, применимые в составах согласно настоящему изобретению, включают оксид кокоамина, оксид изононилдиметиламина, оксид изододецилдиметиламина, оксид изотридецилдиметиламина, оксид н-децилдиметиламина, оксид н-додецилдиметиламина, а также их смеси или сочетания.
При использовании стабилизирующего пену агента его включают в цементную композицию согласно данному изобретению в количестве, составляющем приблизительно от 0,01 до 5 мас.% от массы используемой воды. В том случае, если стабилизирующий пену агент представляет собой один из особенно предпочтительных описанных выше агентов, он предпочтительно присутствует в данной композиции в количестве, составляющем приблизительно от 1 до 2 мас.% от массы воды.
Как понятно специалисту в данной области техники, цементные композиции согласно данному изобретению могут включать разнообразные известные добавки для получения желаемых свойств и результатов, такие как замедляющие схватывание добавки, добавки, регулирующие потерю жидкости, утяжеляющие добавки и т.п.
Примеры изобретения
Для дальнейшей иллюстрации композиций и способов данного изобретения представлены следующие примеры.
В приведенном ниже составе следующие добавки включают пеногенератор и систему для устойчивости пены.
Добавка А включает следующие ингредиенты:
<b>Ингредиент</b>
<b>Количество, мас.%</b>
pDADMAC
16,5
Кокоамидопропилбетаин
2,63
Оксид кокоамина
3,46
Деионизированная вода
77,41
Добавка В включает 25 мас.%/мас. SDS (додецилсульфат натрия) в деионизированной воде.
ПРИМЕР 1
Данный пример иллюстрирует вариант состава вспененного цемента согласно данному изобретению с использованием пенообразующей композиции, включающей додецилсульфат натрия (SDS), pDADMAC, кокоамидопропилбетаин и оксид кокоамина.
Состав
Данный состав включает:
<b>Ингредиент</b>
<b>Количество</b>
Дистиллированная вода
104 г
Цемент класса Н
225 г
Добавка А
1,04 г (1,0 мас.%/мас.)
Добавка В
2,60 г (2,5 мас.%/мас.)
Ингредиенты добавляют вместе в вышеперечисленном порядке и смешивают в смесителе Waring до тщательного перемешивания.
Измерение устойчивости
Затем тщательно перемешанную композицию заливают в объемный цилиндр до отметки 250 мл и приводят в статическое состояние при комнатной температуре. Получают следующие статические результаты:
<b>Часы</b>
<b>Результаты наблюдений</b>
1
Стабильный объем (отсутствие видимого обезвоживания)
2
Стабильный объем (отсутствие видимого обезвоживания)
65
Стабильный объем (отсутствие видимого обезвоживания)
Данный пример иллюстрирует другой вариант состава вспененного цемента согласно данному изобретению с использованием пенообразующей композиции, включающей додецилсульфат натрия (SDS), pDADMAC, кокоамидопропилбетаин и оксид кокоамина.
ПРИМЕР 2
Данный пример иллюстрирует другой вариант состава вспененного цемента согласно данному изобретению с использованием пенообразующей композиции, включающей додецилсульфат натрия (SDS), pDADMAC, кокоамидопропилбетаин и оксид кокоамина.
Состав
Данный состав включает:
<b>Ингредиент</b>
<b>Количество</b>
Дистиллированная вода
138 г
Цемент класса Н
300 г
Добавка А
1,38 г (1,0 мас.%/мас.)
Добавка В
3,45 г (2,5 мас.%/мас.)
Ингредиенты добавляют вместе в вышеперечисленном порядке и смешивают в смесителе Waring до тщательного перемешивания.
Измерение относительной плотности
Кубики, имеющие состав согласно примеру 2, отверждают при комнатной температуре в атмосферной водяной бане. Плотность 2 взвешенных кубиков определяют согласно закону Архимеда.
Кубик
Относительная плотность
1
1,19
2
1,07
Сжимающее напряжение
Было установлено, что сжимающее напряжение кубика 1, измеренное способом раздавливания, составляет 361 фунт на кв. дюйм.
Все процитированные здесь источники приведены в качестве ссылок. Несмотря на то, что данное изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, после изучения приведенного описания для специалистов в данной области техники станут очевидными изменения и модификации, которые могут быть сделаны без нарушения объема и существа изобретения, описанного выше и заявленного далее в формуле изобретения.