облегченная тампонажная композиция

Формула изобретения

Облегченная тампонажная композиция, содержащая портландцемент, облегчающую добавку с эффектом расширения - полые микросферы и воду, отличающаяся тем, что облегчающая добавка состоит из полых микросфер алюмосиликатных по составу 80 - 90 мас.% и дополнительно содержит гидрооксихлорид алюминия 10 - 20 мас. % при следующих соотношениях компонентов в тампонажной композиции, мас.%:

Портландцемент - 38,78 - 51,58

Облегчающая добавка - 6,39 - 17,80

Вода - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин с АНПД, а именно к тампонажным растворам с высокими изолирующими свойствами.

Известно получение облегченных тампонажных растворов с применением газонаполненных добавок, содержащих в своем составе кремнезем в аморфном состоянии, изготовленных из натриево-борсиликатного стекла (10-15% к массе портландцемента) (Вяхерев В.И., Фролов А.А., Овчинников В.П. и др. "Использование газонаполненных кремнийсодержащих материалов в качестве облегчающей добавки" // Межвузовский сб. Тр. - Тюмень: Тюм. ГНГУ, 1997).

Однако эти полые частички не выдерживают все давление при закачке раствора в скважину, что делает раствор не седиментационно устойчивым и изменяет расчетную плотность раствора. Кроме того, эти системы не вызывают расширения при твердении тампонажного раствора в ранние сроки. Эти микросферы имеют высокую стоимость, обусловленную сложностью процесса изготовления и большими энергозатратами.

Известна расширяющая тампонажная смесь (SU 1705209, E 21 В 33/138, Б.И. N 2, 1993), включающая в себя портландцемент 60-80%, сланцевую золу 15-35% и инициатор расширения - продукт обжига карбонатных пород 2-10%.

Данная смесь при низких плотностях раствора не обладает седиментационной устойчивостью и эффектом расширения при твердении в ранние сроки твердения.

Известна облегченная тампонажная композиция, содержащая портландцемент, полые микросферы и воду. Причем указанные микросферы входят в состав золы ТЭС и являются облегчающей добавкой (патент US N 4305758, опубл. 15.12.1981, прототип).

Задачей изобретения является разработка облегченного седиментационно-устойчивого тампонажного раствора, позволяющего цементировать скважины с АНПД в один прием и обеспечивающего эффект расширения в начальный период формирования цементного камня.

Сущность изобретения заключается в том, что тампонажная композиция содержит портландцемент, облегчающую добавку с эффектом расширения - полые микросферы и воду, причем облегчающая добавка состоит из полых микросфер алюмосиликатных по составу 80-90 мас.% и дополнительно содержит гидрооксихлорид алюминия 10-20 мac. % при следующих соотношениях компонентов в тампонажной композиции, мас. % портландцемент 38,73-51,58; облегчающая добавка 6,39-17,80; вода - остальное.

Первый компонент, входящий в облегченную добавку - микросферы. Они являются отходами ТЭС, работающих на углях с высоким содержанием железа в минеральной части и отделенные от золы уноса.

Образование алюмосиликатных пустотелых микросфер (АСПМ) происходит при температурах порядка 1400^oC и связано с процессом каталитического восстановления окиси железа до ее закисной формы, при котором выделяется углекислый газ, вспучивающий алюмосиликатную частицу.

В опытах использованы АСПМ Новочеркасской ГРЭС.

Химический состав (%): SiO - 52,8, Al₂O₃ - 30,6, Fe₂O₃ - 4,2, MgO - 1,6, CaO - 0,8, K₂O - 6,2, Na₂O - 1,0, это легкий сыпучий порошок серого цвета, состоящий из отдельных полых частиц с толщиной стенок 2-10 мкм и сферической формы. Истинная плотность их зависит от влажности и составляет 400-500 кг/см³.

Вторым компонентом является гидрооксихлорид алюминия - ГОХА.

Это высокоосновная и низкоосновная формы алюминия (5/6 ОХА и 3/5 ОХА) в соотношении 1:1. Получают из отходов алюминиевых производств и изготавливают по ТУ 6-01-1-373-87 на Бокситогорском заводе. Может выпускаться в виде жидкости (-10%), пасты (35%) или сухого порошка. Хорошо растворим в воде и представляющий в ней полимер-электролитный состав

([Al₂(OH)₅Cl]_x(1,68) nH₂O;

[Al(ОН)₃(ОН₂)₃]; [Al(ОН)₃]_nnH₂O; AlCl₃

Реагент готовится следующим образом: берем расчетное количество гидрооксихлорида алюминия в пересчете на Al₂O₃ (30% раствор) и постепенно вводим расчетное количество алюмосиликатных микросфер. Получаем работоспособный реагент с 80-90 мас.% микросфер, которые покрыты адсорбированным слоем гидрооксихлорида алюминия (10-20 мас.%). Высушиваем и получаем готовую комплексную добавку. Более полное соотношение гидроксихлоридов алюминия и микросфер, способ их приготовления авторами не раскрывается, так как представляет "ноу-хау".

Увеличение количества микросфер приводит к повышению начальной консистенции тампонажного раствора, сокращает сроки его схватывания, что требует ввода пластификатора для обеспечения прокачиваемости.

При соотношениях, указанных в табл. 1, получаем стабильные растворы, которые сохраняют свою плотность под давлением, практически несжимаемы. Эффект расширения тампонажной системы наступает в период еще не сформировавшейся жесткой структуры, что эффективно сказывается на качестве крепления скважин.

Процесс расширения связан не только с химическим взаимодействием алюминатной составляющей и образованием алюминатов кальция, но и с состоянием воды и водородных связей, которые заложены в самой добавке при посадке гидроалюмината на поверхность алюмосиликатных микросфер. Предложенная добавка управляет и оптимизирует гидратацию цемента и расширение тампонажной композиции в период пластической вязкости, которое не должно превышать 1,5% (по Т.В. Кузнецовой). Кроме того, введение комплексной добавки в цементный раствор, приводит к уменьшению количества вяжущего, что снижает контракционные явления, сохраняя седиментационную устойчивость при сохранении расширения 0,4-0,9%. Расширение в период сформировавшейся жесткой структуры приводит к появлению трещин в цементном камне и его разрушению в цементном камне после 3 мес. твердения, что и наблюдается в прототипе.

Использование данной добавки в тампонажных растворах позволяет ускорить образование эттрингита и продуктов гидратации по донорно-акцепторному механизму, который придает жесткость контактам сцепления эттрингита с матрицей и продуктов гидратации. Растущий кристалл, оказываясь фиксированным, начинает реализовывать давление роста, вызывая тем самым изменение объема цементного раствора - камня.

Поэтому процесс расширения связан и с характером и свойствами водородных связей цементного раствора - камня.

Тампонажный раствор готовится в два этапа. Расчетное количество реагента растворяют в жидкости затворения, вводят вначале 1/2 цемента и тщательно перемешивают. Затем вводят оставшуюся часть вяжущего и готовят раствор согласно ГОСТу.

Растекаемость определяют по конусу АзНИИ. Из этого раствора готовят призмы 2210 см, которые твердеют в воде при соответствующих температурах и давлении.

Сроки схватывания определяют с помощью автоклавов или иглы Вика. Объемные измерения с помощью приставки прибора "Хеплера".

Пример 1 (табл. 2).

Берут 42 мл воды, вводят 17,8 г добавки (состав N 1 из табл. 1), растворяют и вводят 20,1 г цемента (1/2), размещают и вводят оставшуюся часть цемента и перемешивают в течение 3 мин. Затем определяют растекаемость тампонажного раствора - 20 см, плотность его - 1,21 г/см³, водоотстой - 0, объемное расширение - 1,09.

Формируется малопроницаемый цементный камень. Наличие силикатной и алюминатной фаз в составе вводимой добавки способствует ее участию в формировании структуры цементного камня, приводя к дополнительному повышению его прочности и расширению на ранних стадиях твердения. Несмотря на повышенное водосмесевое отношение, растворы обладают нулевым водоотстоем, имеют повышенную седиментационную устойчивость. В результате обеспечивается более плотный контакт между формирующимся цементным камнем, обсадной колонной и горной породой, в результате чего повышается качество изоляции скважин.