тампонажный материал и способ его получения

Формула изобретения

1. Тампонажный материал, включающий шлаковый, волокнистый компоненты и добавку, отличающийся тем, что дополнительно содержит кремнеземсодержащий компонент, содержащий не менее 96% SiO ₂, в качестве шлакового компонента содержит саморассыпающийся шлак, содержащий в составе гамма- C₂S до 85 мас.%, в качестве добавки содержит структурообразователь, регулятор твердения и расширяющее вещество при следующем соотношении, мас.%:

саморассыпающийся шлак	40-60
кремнеземсодержащий компонент	40-60
волокнистый компонент	0,2-0,3 сверх 100%
структурообразователь	0,1-5,0 сверх 100%
регулятор твердения	0,04-0,1 сверх 100%
расширяющее вещество	0,1-10,0 сверх 100%

2. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве структурообразователя используют палыгорскит.

3. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве структурообразователя используют гидрослюду.

4. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулятора твердения используют нитрилотриметилфосфоновую кислоту.

5. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве регулятора твердения используют лимонную кислоту.

6. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве волокнистого компонента используют органические или неорганические волокна, например полиамидную фибру, базальтовую фибру, асбестовое волокно.

7. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что волокнистые компоненты имеют длину 3-6 мм.

8. Способ получения тампонажного материала по п.1, заключающийся в том, что саморассыпающийся шлак, кремнеземсодержащий компонент и расширяющее вещество подвергают совместной дезинтеграторной обработке, затем к ним в воздушном потоке добавляют волокнистый компонент, структурообразователь и регулятор твердения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тампонажным материалам, используемым при цементировании нефтяных и газовых скважин, преимущественно к специальным вяжущим веществам для крепления высокотемпературных скважин.

Традиционные портландцементы могут применяться при креплении скважин, имеющих температуру ниже 100°С. При температурах выше 100°С, цементный камень начинает терять свою прочность и увеличивать проницаемость за счет термической коррозии. Стойкими к термической коррозии являются цементы, состав продуктов твердения которых представлен низкоосновными гидросиликтами кальция, имеющими соотношения CaO/SiO₂ (C/S)<1,2.

Известны составы тампонажных материалов, обладающие термостойкостью, например: цементо-песчаные смеси [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным скважинам. - М.: Недра, 1987, с.135-137], шлако-песчаные цементы [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным скважинам. - М.: Недра, 1987, с.138-139], известково-кремнеземистые вяжущие [Данюшевский B.C. и. др. Справочное руководство по тампонажным скважинам. - М.: Недра, 1987, с.152-153].

Недостатком известных составов является недостаточная их термостойкость.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является тампонажный материал для цементирования высокотемпературных скважин, содержащий вяжущее - тампонажный цемент на шлаковой основе, волокнистый наполнитель - минеральные волокна хризотил-асбеста и добавку пластификатора, при следующем соотношении компонентов, масс.%: тампонажный цемент на шлаковой основе 92,00-99,45; волокнистый наполнитель (минеральные волокна хризотил-асбеста 0,50-7,00; пластификатор 0,05-1,00. Указанный цемент готовят смешением его компонентов [Авторское свидетельство СССР № 1010253, опубл. 07.04.1983].

Недостатком прототипа является недостаточная термостойкость продуктов твердения.

Известны способы получения тампонажных материалов путем совместного измельчения вяжущей основы, утяжеляющей, активизирующей и других добавок или раздельным измельчением с последующим смешением указанных компонентов [Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин. Под общей редакцией проф. А.И.Булатова. М., «Недра», 1977, 252 с. Авт.: А.И.Булатов, Л.Б.Измайлов, В.И.Крылов и др., стр.41].

Недостатком указанных способов является низкое качество получаемых тампонажных материалов из-за плохой гомогенизации компонентов.

Целью изобретения является получение состава тампонажного материала и способа его получения, обеспечивающих повышение термостойкости цементного камня с высокими прочностными характеристиками при температурах 150-250°С.

Поставленная цель достигается тем, что тампонажный материал, включающий шлаковый компонент, волокнистый компонент и добавку, согласно изобретению дополнительно содержит кремнеземсодержащий компонент, содержащий не менее 96% SiO₂, в качестве шлакового компонента содержит саморассыпающийся шлак, содержащий в составе гамма- C₂S до 85 мас.%, в качестве добавки содержит структурообразователь, регулятор твердения и расширяющее вещество, при следующем соотношении, мас.%:

саморассыпающийся шлак	60-40;
кремнеземсодержащий компонент	40-60;
волокнистый компонент	0,2-0,3 сверх 100%;
структурообразователь	0,1-5,0 сверх 100%;
регулятор твердения	0,04-0,1 сверх 100%;
расширяющее вещество	0,1-10,0 сверх 100%.

В качестве структурообразователя используют палыгорскит или гидрослюду, в качестве регулятора твердения используют нитрилотриметил-фосфоновую кислоту или лимонную кислоту, а в качестве волокнистого компонента используют органические или неорганические волокна, например полиамидную фибру или базальтовую фибру или асбестовое волокно, причем волокнистые добавки имеют длину 3-6 мм.

В части способа получения тампонажного материала поставленная цель достигается тем, что саморассыпающийся шлак, кремнеземсодержащий компонент и расширяющее вещество подвергают совместной дезинтеграторной обработке, затем к ним в воздушном потоке добавляют волокнистый компонент, структурообразователь и регулятор твердения.

При этом волокнистый компонент может быть любым, поскольку его основная роль заключается в образовании пространственной структуры в тампонажном растворе, и последующее повышение сопротивляемости получаемого тампонажного камня динамическим нагрузкам, возникающим при проведении работ внутри обсадной колонны.

Таким образом, в предлагаемом изобретении используются новые ингредиенты и новая технология, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».

В научно-технической и патентной литературе ранее не приводились сведения об использовании комплексной технологии получения термостойких цементов, включающей дезинтеграторную обработку саморассыпающегося шлака и кремнеземистого компонента и последующее смешение полученного продукта с волокнистым компонентом и добавками структурообразователя и регулятора твердения. Применение дезинтеграторной обработки саморассыпающегося шлака совместно с кремнеземистым компонентом позволяет получить неизвестный ранее эффект синтеза низкоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих термическую стойкость продуктов твердения. Это связано с тем, что первичным продуктом твердения является высокоосновный гидросиликат кальция C₂SH₂, который, являясь термодинамически нестойким соединением, переходит в более стабильные фазы C ₂SH(A) и CSH(В). Возможность перехода в одну из отмеченных фаз связана с соотношением CaO/SiO в жидкой фазе раствора. Поскольку гидросиликаты типа C₂SH(A) обладают слабой способностью к срастанию, их появление приводит к потере прочности камня.

Переход C₂SH₂ в CSH(B) не сопровождается развитием деструктивных процессов, поскольку C₂SH ₂ и CSH(B) имеют сходное строение решеток. Камень, сформировавшийся на основе CSH(B), обладает высокими прочностными показателями за счет высокой развитости поверхности продуктов твердения и большого числа контактов срастания в единице объема, и камень на его основе обладает высокой термической стойкостью и прочностью. Поскольку на начальной стадии твердения всегда будут образовываться высокоосновные гидросиликаты кальция C₂SH₂ , а цепь фазовых превращений является неизбежной, то исключить их опасные последствия можно ускорением фазовых переходов с тем, чтобы они проходили в наиболее ранние сроки твердения, когда структура камня еще эластичная и в меньшей степени «реагирует» на возникновение новой структуры, т.е. должно быть максимальное замедление скорости поступления СаО в раствор и ускорение скорости поступления SiO₂ в раствор, для того, чтобы количество СаО в нем всегда было меньше количества SiO₂.

Именно эти эффекты обеспечиваются использованием саморассыпающегося шлака и его совместной с кремнеземистым компонентом дезинтеграторной обработкой, при которой происходит механоактивация смеси и повышение реакционной активности SiO₂.

В научно-технической и патентной литературе ранее не приводились сведения о вводе каких-либо добавок в тампонажную смесь в воздушном потоке. Ввод добавок в воздушном потоке обеспечивает наилучшую гомогенизацию тампонажного материала и повышение технологических свойств получаемого из него раствора и камня.

Таким образом, сказанное выше указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

В предлагаемом изобретении использовались: саморассыпающийся шлак, имеющий в своем составе:

Компоненты	SiO 2	Al2 O3	Fe 2O3	CaO	MgO	Cr2O3	W	-C2S
Содержание, масс.%	24-32	4-8	2	46	7-16	2-6	1,5	До 85

кремнеземсодержащий компонент, имеющий в своем составе:

Компоненты	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	п.п.п.
Содержание, масс.%	97,0	1,20	0,159	0,15	0,69

и волокнистую добавку - базальтовую фибру с длиной волокон 3 мм.

Пример реализации изобретения.

Тампонажный материал готовят следующим образом: саморассыпающийся шлак и кремнеземистый компонент совместно обрабатывают в дезинтеграторе.

Затем в полученную смесь в воздушном потоке вводят волокнистый компонент и добавки в необходимых соотношениях.

В качестве примера рассмотрим технологию приготовления тампонажного материала с соотношением СРШ - 60% и кремнеземсодержащего компонента 40% (состав № 7 из таблицы 1).

Для приготовления тампонажного материала было взято 600 г саморассыпающегося шлака и 400 г кремнеземистого компонента. Затем в нее добавлялось 25 г структурообразователя - палыгорскита и 50 г расширяющего вещества на основе MgO. Смесь подвергли обработке в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 200 м/с.

Далее смесь с помощью воздуха перекачивалась в другую емкость. При этом в воздуховод было подано (вспрыснуто) 2,5 г базальтовой фибры и 0,7 г регулятора твердения - нитрилотриметилфосфоновой кислоты

Из полученного тампонажного материала готовились растворы с водоцементным отношением 0,5. Приготовленные растворы использовались для определения их свойств и изготовления образцов для испытания на изгиб и сжатие, а также для проведения рентгеноструктурных исследований. Испытания полученного тампонажного материала проводились согласно ГОСТ 1581-96. Результаты испытаний данной пробы, а также других составов, приведены в табл.1

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 эффективны при температурах 150-250°С и удовлетворяют ГОСТ 1581-96. Эффект расширения тампонажного материала при твердении обеспечит высокую герметичность контактов: цементный камень - обсадная колонна и цементный камень - горная порода.

При этом раствор имеет низкую водоотдачу 85 см³/30 мин.

Камень из предлагаемого тампонажного материала термически стоек.

Для оценки термостойкости полученного материала был исследован фазовый состав продуктов твердения через 2 и 7 суток твердения. Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН 407 с использованием программы для управления процессом съемки DIFWin 1 и программы обработки данных ToUDFpr. Дифрактограммы полученных в результате съемки образцов идентичны, и они представлены низкоосновными гидросиликатами кальция, являющимися термодинамически устойчивыми соединениями. Результаты рентгенофазового анализа показали, что в испытуемых образцах не обнаружено ни свободного гидроксида кальция, ни высокоосновных гидросиликатов кальция. Это свидетельствует о том, что даже за короткий срок твердения испытуемого цемента процессы формирования низкоосновных гидросиликатов кальция завершились, и в них невозможно протекание процессов коррозии.