тампонажный состав "реолит"

Формула изобретения

Тампонажный состав, содержащий цемент и комплексную добавку, отличающийся тем, что в качестве цемента содержит портландцемент, комплексная добавка состоит из поливинилпирролидона, поликарбоксилата и воды технической, а также дополнительно содержит ультрадисперсный кремнезем и пеногаситель, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:

Портландцемент	100
Поливинилпирролидон	0,7-0,8
Поликарбоксилат Melflux 1641F	0,25-0,4
Ультрадисперсный кремнезем в виде
белой сажи БС-120	0,2-0,4
Пеногаситель Пента-465	0,03-0,04
Вода техническая	42-43

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к строительству и ремонту скважин, при цементировании обсадных колонн и проведении водоизоляционных работ при низких и нормальных скважинных температурах.

Известен тампонажный раствор (патент RU № 2315077, МПК С09K 8/467, опубл. 20.01.2008 г.), содержащий портландцемент, воду и пластификатор - алкилбензилметиламин хлорид и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов мас.%: портландцемент - 66, алкилбензилметиламинхлорид - 0,1-0,3, поливинилпирролидон - 0,2, вода - остальное.

Известен тампонажный состав для установки зарезных опорных мостов (патент RU № 2434923, МПК С09K 8/467, опубл. 27.11.2011), содержащий Микродур, ускоритель сроков схватывания, добавку и воду, дополнительно содержит портландцемент, в качестве добавки - пластификатор - поликарбоксилат Melflux F и пеногаситель - Полицем ДФ, а в качестве ускорителя сроков схватывания - полиоксихлорид алюминия и хлорид кальция при их массовом соотношении 1:4, при этом все компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: портландцемент - 65,3-70,4, Микродур - 0,72-7,6, указанный пластификатор - 0,02-0,23, Полицем ДФ - 0,07-0,15, полиоксихлорид алюминия - 0,06-0,53, хлорид кальция - 0,24-2,12, вода техническая - 24,1-28,5

Известен полимерцементный тампонажный раствор для низкотемпературных скважин (патент RU № 2370515, МПК С09K 8/487, опубл. 20.10.2009), содержащий портландцемент, понизитель водоотдачи - CFL-117, адгезионную добавку - Конкрепол, расширяющую добавку и воду. В качестве портландцемента раствор содержит портландцемент ПТЦ-50-1-50, а в качестве расширяющей добавки - НРС-1М при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: портландцемент ПТЦ-50-1-50 - 90-92, CFL-117 - 0,2-0,3, Конкрепол - 1,0, НРС-1 М - 8-10, вода - 45-50.

Известен полимерцементный тампонажный раствор (патент RU № 2319722, МПК С09K 8/467, опубл. 20.03.2008), ближайший по технической сущности к заявляемому составу и принятый за прототип, содержащий цемент, полимерную добавку и воду, в качестве добавки содержит понизитель водоотдачи - CFL-117 и упрочняющую и адгезионную - Конкрепол (поливинилпирролидон) при следующем соотношении ингредиентов, вес.ч.: цемент - 100, CFL-117 - 0,4-0,8, Конкрепол - 0,6-1,0, вода - 42-50.

Недостатком известного тампонажного раствора являются невысокие реологические характеристики (прокачиваемость) полимерцементного раствора и недостаточная адгезия к поверхности обсадной колонны и к стенкам скважин при введении в композицию минеральных расширяющих добавок.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества цементного камня: увеличение прочности цементного камня на сжатие и изгиб, его сцепления с обсадными трубами, снижение проницаемости и контракции при сохранении высокой подвижности (прокачиваемости) полимерцементной суспензии.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении изолирующей способности, адгезионных свойств и уменьшение водоотделения образующегося цементного камня при цементировании обсадных колонн и проведении водоизоляционных работ в скважинах в условиях низких и нормальных скважинных температур.

Указанный технический результат достигается тем, что в тампонажном составе, содержащем цемент и комплексную добавку, новым является то, что в качестве цемента содержит портландцемент, комплексная добавка состоит из поливинилпирролидона, поликарбоксилата и воды технической, а также дополнительно содержит ультрадисперсный кремнезем и пеногаситель, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:

В качестве поликарбоксилата содержит поликарбоксилат Melflux 1641F.

В качестве пеногасителя содержит пеногаситель Пента-465.

В качестве ультрадисперсного кремнезема содержит ультрадисперсный кремнезем БС-120.

Тампонажный состав с повышенными характеристиками прочности и долговечности цементного камня готовится на основе модифицирования структуры - регулирования химических и физико-химических процессов, протекающих при гидратации цемента. Такой способ модификации, как снижение содержания дисперсной среды (водоцементного отношения) при введении супер- и гиперпластификаторов, использование ультрадисперсных и наноструктурирующих добавок позволяет в первую очередь уплотнить структуру цементного камня и, как следствие, повысить его прочностные и изолирующие свойства.

Максимально снизить содержание дисперсионной среды (водоцементное отношение) в предлагаемом тампонажном составе позволяет введение поликарбоксилата Melflux 1641F, механизм действия которого, в отличие от обычных суперпластификаторов, обеспечивается за счет электростатического и стерического эффектов и позволяет получить необходимую подвижность тампонажного состава не только в процессе затворения, но и в процессе закачки и продавки его в заколонное пространство в скважине. При этом количество дисперсной среды в тампонажном составе остается достаточным для гидратации цемента и формирования качественного цементного камня. Добавка поликарбоксилата Melflux 1641F не оказывает значительно замедляющего эффекта при схватывании тампонажного состава, но улучшает прочностные свойства цементного камня за счет диспергирующего действия, которое способствует уплотнению структуры цементного камня за счет более плотной упаковки частиц цемента, не требуется большого количества добавки для получения максимального эффекта пластификации.

Добавка в тампонажный состав неионогенного высокомолекулярного полимера поливинилпирролидона приводит к стабилизации системы. Улучшаются фильтрационные свойства тампонажного раствора, дополнительно увеличиваются сроки схватывания и время набора пластической прочности. За счет эффективного снижения пористости и увеличения содержания нитевидных кристаллов C3SH в общей кристаллической структуре цементного камня, которая приобретает спутанно-волокнистый характер, увеличиваются прочность на сжатие и изгиб и адгезионные свойства тампонажного камня.

Добавка в тампонажный состав ультрадисперсного кремнезема наноразмерного масштаба частиц оказывает наибольшое влияние на прочностные свойства цементного камня. Средний диаметр наночастиц кремнезема (19-27 нм) в 10³ раз меньше частиц самого цементного клинкера. Такие частицы приобретают иную физико-химическую и механохимическую активность, в силу чего могут принципиальным образом изменять процессы синтеза, структурообразования, менять термодинамическую и энергетическую обстановку в дисперсной системе, какой является тампонажный состав. Расчеты показывают, что уже при дозировке наноразмерных частиц кремнезема 0,1% от массы цемента в системе появляется порядка 10⁵ м² дополнительной активной площади раздела фаз и 2 МДж избыточной поверхностной энергии. Введение ультрадисперсного кремнезема в предлагаемом тампонажном составе позволяет существенным образом изменить обстановку формирования системы твердения. Структурообразующее участие и модифицирующее влияние микродобавки кремнезема в системе цемент-ультрадисперсный кремнезем заключается в связывании выделяющегося при гидратации цемента портландита активным компонентом ультрадисперсным кремнеземом в низкоосновные гидросиликаты кальция, а также микроармирующим действием образующихся гидроацетоалюминатов кальция, кристаллы которых повышают плотность и прочность цементного камня. Ультрадисперсный кремнезем в сочетании с образующимися гидроацетоалюминатами кальция принимает непосредственное участие в формировании структуры цементного камня, встраиваясь в структуру гидратов и заполняя поры, тем самым повышая непроницаемость цементного камня; а также приводит к образованию первичного каркаса, что обеспечивает кинетику набора прочности цементного камня на ранних сроках твердения.

Введение в состав комплексной добавки дополнительно пеногасителя Пента-465 позволяет исключить пенообразование в цементном растворе, которое в результате может привести к формированию пористого цементного камня и, как следствие, снижению его прочности.

Тампонажный состав «Реолит», содержащий портландцемент, комплексную добавку и воду, был испытан в лабораторных условиях. Для его приготовления были использованы следующие вещества: портландцемент ГОСТ 1581-96; вода техническая с жесткостью не более 5 мг-экв/л; полимерный водный раствор высокомолекулярного поливинилпиррилидона (реагент Конкрепол), выпускается ООО «ОргполимерсинтезСПБ» (Санкт-Петербург, Россия) по ТУ 9365-001-13802623-2003; суперпластификатор Melflux 1641 F, производитель BASF Constraction Polymers (Trostberg, Германия), химический состав - порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок, насыпная плотность 400-600 г/л, потери при нагревании - макс. 2,0 мас.%, 20% раствор при 20°С имеет рН 6,5-8,5. Особенности: высокоэффективный диспергатор, снижает усадку, эффективен в широком диапазоне температур, обеспечивает высокую раннюю прочность; Белая сажа (БС-120) - ультрадисперсный кремнезем, гидратированный диоксид кремния, массовая доля двуокиси кремния не менее 86%, удельная поверхность 120±20 м²/г, выпускается ОАО «Сода» (Стерлитамак, Россия) согласно ГОСТ 18307-78; пеногаситель Пента-465 - водная эмульсия полиметилалкилсилоксанов, неионогенных ПАВ и аэросила, выпускается ООО «ПЕНТА-91» (Москва, Россия) согласно ТУ 2257-001-40245042-98.

Ингредиенты заявленного тампонажного состава «Реолит» обладают синергетическим действием только при полной совокупности заявленных компонентов и при заявленном их количественном соотношении. Замена, исключение или изменение количества одного из компонентов приводит к недостижению задач изобретения.

Примеры приготовления предлагаемого тампонажного состава «Реолит».

Пример № 1. Для приготовления жидкости затворения брали 420 г воды, в которой растворяли 8 г поливинилпиррилидона, 3 г суперпластификатора Melflux 1641F, 0,3 г пеногасителя Пента-465 и добавляли 2,8 г ультрадисперсного кремнезема. Затем затворяли 1000 г портландцемента ПЦТ-1-G приготовленной жидкостью затворения. При этом получили тампонажный состав со следующим соотношением ингредиентов, вес.ч.: портландцемент 100; поливинилпиррилидон - 0,8; поликарбоксилат Melflux 1641 F - 0,3; пеногаситель Пента-465 - 0,03; ультрадисперсный кремнезем - 0,28; вода - 42.

Пример № 2. Для приготовления жидкости затворения брали 430 г воды, в которой растворяли 7 г поливинилпиррилидона, 4 г поликарбоксилата Melflux 1641F, 0,4 г пеногасителя Пента-465 и добавляли 4 г ультрадисперсного кремнезема. Затем затворяли 1000 г портландцемент ПЦТ-I-G приготовленной жидкостью затворения. При этом получили тампонажный состав со следующим соотношением ингредиентов, вес.ч.: портландцемент - 100; поливинилпиррилидон - 0,7; поликарбоксилат Melflux 1641 F - 0,4; пеногаситель Пента-465 - 0,04; ультрадисперсный кремнезем - 0,4; вода - 43.

Пример № 3. Для приготовления жидкости затворения брали 420 г воды, в которой растворяли 8 г поливинилпиррилидона, 2,5 г поликарбоксилата Melflux 1641F, 0,3 г пеногасителя Пента-465 и добавляли 2 г ультрадисперсного кремнезема. Затем затворяли 1000 г портландцемент ПЦТ-I-G приготовленной жидкостью затворения. При этом получили тампонажный состав со следующим соотношением ингредиентов, вес.ч.: портландцемент - 100; поливинилпиррилидон - 0,8; поликарбоксилат Melflux 1641 F - 0,25; пеногаситель Пента-465 - 0,03; ультрадисперсный кремнезем - 0,2; вода - 42.

Пример № 4 (контрольльный). Для приготовления цементного раствора брали 440 г воды, в которой затворяли 1000 г портландцемент ПЦТ-I-G. При этом получили тампонажный состав со следующим соотношением ингредиентов, вес.ч.: портландцемент - 100; вода - 44.

Растекаемость определялась по конусу АзНИИ, плотность - пикнометром, коэффициент водоотделения в мерном цилиндре, сроки схватывания иглой Вика, время загустевания на консистометре Chandler, пределы прочности тампонажного камня на изгиб на Мультитестере; пределы прочности на сжатие на автоматизированном прессе (OFITE).

Данные о свойствах исследованных тампонажных составов и тампонажного камня приведены в таблице 1.

Таблица 1
Свойства тампонажного раствора и камня при 25°С
№ примера тампонажного состава	В/Ц	Д, мм	Сроки схватывания: начало-конец, мин	ИЗГ, МПа	сж, МПа	Водо-отделение, мл	Адгезия к металлу, МПа
1	0,42	>255	450-595	6,33	25.77	1,2	1,55
2	0,43	>255	416-540	7,83	28,01	0,9	1,45
3	0,42	>255	333-508	7,23	31,14	1,8	2,09
4 контрольный	0,44	250	400-473	4,92	18,82	4	0,89