Облегченный тампонажный цемент и способ его получения

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может найти применение при изготовлении облегченных тампонажных цементов для цементирования глубоких нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин в сложных геологических условиях и на месторождениях в поздней стадии разработки, в геологическом разрезе которых имеются поглощающие пласты и пласты, склонные к гидроразрыву. Технический результат - сокращение сроков схватывания и структурообразования раствора при умеренных температурах, повышение прочности камня в ранние сроки твердения, сокращение энергозатрат на предварительную сушку облегчающих добавок. Облегченный тампонажный цемент, включающий клинкер, природный гипс двуводный, облегчающую добавку, содержит в качестве облегчающей добавки трепел или диатомит, или глиеж и дополнительно силикагель, имеет удельную поверхность 700-900 м²/кг и грансостав, характеризующийся остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и проходом через сито 0,08 - остальное, при следующем соотношении компонентов, мас.%: клинкер - 55-63, указанный гипс - 5,5, облегчающая добавка - 30-38, силикагель - 1-1,5. Способ получения указанного облегченного цемента включает совместный помол клинкера с температурой 300-350°С, гипса двуводного с влажностью 10-12%, облегчающей добавки с влажностью 15-18% и силикагеля до указанной поверхности и получения указанного грансостава. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным материалам, и может быть использовано при цементировании глубоких скважин на месторождениях, имеющих поглощающие пласты и пласты, склонные к гидроразрыву.

В настоящее время для крепления скважин в указанных условиях используют облегченные тампонажные цементы. Технологическая практика показывает, что наилучший результат при креплении скважин достигается при использовании цементов, содержащих облегчающие добавки. Наиболее перспективным является применение облегчающих добавок на базе неорганического сырья, в частности высокодисперсных кремнийсодержащих веществ.

Известен облегченный тампонажный цемент [1, 2, 3], получаемый совместным помолом портландцемента с облегчающими добавками. При данном способе получения цемента облегчающие добавки требуют предварительной сушки. Кроме того, происходит двойное измельчение портландцемента, повышающее энергозатраты при получении цемента. Кроме того, сроки их хранения не превышают 3 месяцев.

Известна тампонажная композиция и способ ее получения [4]. Способ получения заключается в том, что облегчающую добавку, в качестве которой используется резиновая крошка, предварительно замачивают в жидком стекле, затем смешивают с цементом с последующей выдержкой в течение 3-24 часов при 80-90°С и полученный продукт измельчают в дезинтеграторе до крупности портландцемента.

Данный способ требует дополнительного оборудования и длительного времени (до 24 часов) для выдерживания указанной массы при температуре 80-90°С, что приводит к удорожанию стоимости цемента.

Известен способ приготовления дисперсно-армированного тампонажного материала [5], отличающийся тем, что с целью повышения прочности, ударной стойкости камня смешение ингредиентов портландцемента, лигносульфоната и асбеста производят при одновременном измельчении их в шаровой мельнице в течение 25-45 мин. Недостатком этого способа является необходимость предварительной сушки асбеста и повторный помол портландцемента.

Известен способ получения тампонажных цементов [6, 7]. По этому способу совместный помол охлажденного клинкера (с влажностью 1,0-1,5%), воздушно-сухого гипса (с влажностью не более 10-12%) и добавок не более 5-7% (с влажностью 6-10%) до 10% и шлака (с влажностью 12-15%) до удельной поверхности 280-300 кв.м/кг. Недостатком способа является дополнительная сушка материалов перед помолом.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является облегченный тампонажный цемент, включающий, мас.%: природный двуводный гипс 3-8%, облегчающую добавку - трепел, диатомит, опоку 5-20, цементный клинкер - остальное. Цемент получают совместным помолом указанных компонентов до остатка на сите 008 5-10% [8].

Недостатком способа является дополнительная сушка материалов перед помолом, увеличение выброса твердой пыли в атмосферу, недостаточно низкая плотность раствора и низкая прочность получаемого цементного камня, а также и низкий срок хранения цемента.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что облегченный тампонажный цемент, включающий клинкер, природный гипс двуводный, облегчающую добавку, отличается тем, что он содержит в качестве облегчающей добавки трепел или диатомит, или глиеж и дополнительно силикагель, имеет удельную поверхность 700-900 кв.м/кг и гранулометрический состав, характеризующийся остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и прошедших через сито 0,08 - остальное, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: клинкер 55,0-63,0; гипс 5,5; облегчающая добавка 30,0-38,0; силикагель 1,0-1,5.

Способ получения облегченного тампонажного цемента по пункту 1, включающий совместный помол клинкера с температурой 300-350°С, двуводного гипса с влажностью 10-12%, облегчающие добавки с влажностью 15-18% и силикагеля до удельной поверхности 700-900 кв.м/кг и гранулометрического состава, характеризующегося остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и проходом через сито 0,08 - остальное.

Таким образом, в предлагаемом изобретении используется новый ингредиент 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 облегченных цементов, включающей в качестве облегчающей добавки силикагель, и помол ингредиентов с горячим клинкером. Применение силикагеля обеспечивает повышение сроков хранения цемента за счет снижения естественной влажности цемента и уменьшения его комкования.

Использование при помоле цемента горячего клинкера позволяет получить неизвестный ранее эффект выгорания органических остатков, содержащихся в добавках. Это приводит к увеличению активного аморфного кремнезема, что в свою очередь способствует сокращению времени структурообразования и повышению прочности камня в ранние сроки твердения. Кроме того, наблюдается высушивание облегчающих добавок в процессе помола и, как следствие, повышение удельной поверхности получаемого цемента, что обеспечит требуемый результат - понижение плотности цементного раствора при сохранении высокой прочности получаемого камня.

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

В предлагаемом изобретении использовались:

Клинкер Стерлитамакского ОАО «Сода»;

Трепел Брянского месторождения;

Диатомит Инзенского месторождения;

Глиеж (глина естественная жженая) Кумертауского угольного разреза;

Силикагель технический.

Пример реализации изобретения.

Клинкер с температурой 300-350°С подается в шаровую мельницу, в которую через дозаторы в необходимых количествах подаются ингредиенты: облегчающие добавки с влажностью по мас.% 15-18, двуводный гипс с влажностью 10-12% и силикагель. В шаровой мельнице происходит измельчение компонентов до удельной поверхности 700-900 кв.м/кг и получение цемента с заданным гранулометрическим составом.

В качестве примера рассмотрим технологию приготовления облегченного тампонажного цемента, состав 2 таблицы.

Для приготовления облегченного цемента было взято 5500 г цементного клинкера с температурой 330°С, 550 г природного двуводного гипса с влажностью 12%, 3800 г трепела с влажностью 17% и 150 г силикагеля. Смесь размалывалась в лабораторной шаровой мельнице со специально подобранными размерами шаров до удельной поверхности 850 кв.м/кг. При этом гранулометрический состав смеси характеризовался остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1%, проход через сито 0,08 - 96%.

Из полученного облегченного цемента готовился раствор с водоцементным отношением 0,9, у которого определялись растекаемость, плотность. Из раствора готовились образцы для испытания на изгиб и сжатие. Испытания полученного облегченного цемента проводились согласно ГОСТ 1581-96. Результаты испытаний данной пробы приведены в таблице.

В этой же таблице даны технологические параметры облегченного тампонажного цемента, полученного по предлагаемому способу с другими облегчающими добавками. В этой же таблице приведены результаты испытаний прототипов.

Таким образом, приведенный пример реализации изобретения показывает его соответствие критерию «практическая применимость». На буровой из данного облегченного тампонажного цемента по общепринятой технологии готовят тампонажный раствор.

Из таблицы видно, что цементы, полученные по предлагаемому способу, имеют достаточную прочность уже в первые сутки твердения, а на вторые сутки прочность камня увеличивается до 1,1 МПа, против 0,4 МПа у прототипа. Сроки структурообразования сокращаются до 2 ч 15 мин, против 6-7 часов у прототипа. Сроки сохранности технологических свойств увеличиваются до 6 месяцев. Технологические параметры облегченного цемента удовлетворяют требованиям ГОСТ 1581-96.

Применения клинкера с температурой 300-350°С приводит к экономии энергозатрат, т.е. экономия тепла составляет 1100-1240 ккал/кг влаги.

№	Состав облегченного цемента, %	Удельн. поверх., кв.м/кг	Водо-смесевое отношение	Растекаемость, мм	Плотность, кг/м3	Сроки схватывания при 20°С, ч-мин	Время структурообразования, ч-мин	Прочность на изгиб при 20°С ч/з сутки	Время сохранности, мес.
	клинкер					гипс		силикагель		Облегчающие добавки
диатомит	трепел	глиеж	начало	конец	1	2
1	55	5,5	1,5	38	-	-	900	1	220	1480	7-30	9-45	2-15	0,3	0,8	5
2	55	5,5	1,5	-	38	-	850	0,9	215	1510	5-45	8-05	2-20	0,4	1,1	6
3	63	5,5	1,5	-	-	30	700	0,85	225	1580	7-45	10-30	2-45	0,3	0,75	5
Прототип
4	55	5	-	2% хлорид кальция	2	8% зола-унос	-	-	-	1510	-		-	-	0,4	3
5	55	5	-	2% хлорид кальция	20	18% зола-унос	-	-	200	1620	-	-	-	-	1,6	3

Источники информации

1. Каримов Н.Х. Хахаев Б.Н., Запорожец Л.С., Липсон Т.А., Губкин Н.А., Рахматуллин Т.С. Тампонажные смеси с аномальными пластовыми давлениями. М.: Недра, 1977, 190 с.

2. Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов. М.: Недра, 1979, 281 с.

3. Луценко Н.А., Образцов О.Н. Тампонажные растворы пониженной плотности. - М.: Недра, 1972, 141 с.

4. Данюшевский B.C., Каримов Н.Х. Тампонажная композиция и способ ее получения. Авторское свидетельство №637355, С 04 В 7/38, 15.12.1978, бюл. №46.

5. Мариампольский Н.А., Дзежаев В.Г. и др. Авторское свидетельство №423725, 4 Е 21 В 33/138. Способ приготовления армированного тампонажного материала, 15.09.1988, бюл. №34.

6. Бутт Ю.М., Окороков С.Д., Сычев М.М., Тимашев В.В. Технология вяжущих веществ. М.: Высшая школа, 1995, 619 с.

7. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат, 1981, 464 с.

8. Патент RU 2208130. Тампонажный материал облегченный, БИ №19, 2003.

1. Облегченный тампонажный цемент, включающий клинкер, природный гипс двуводный, облегчающую добавку, отличающийся тем, что он содержит в качестве облегчающей добавки трепел, или диатомит, или глиеж и дополнительно силикагель, имеет удельную поверхность 700-900 м²/кг и гранулометрический состав, характеризующийся остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и проходом через сито 0,08 - остальное, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Клинкер	55-63
Указанный гипс	5,5
Облегчающая добавка	30-38
Силикагель	1-1,5

2. Способ получения облегченного тампонажного цемента по п.1, включающий совместный помол клинкера с температурой 300-350°С, гипса двуводного с влажностью 10-12%, облегчающей добавки с влажностью 15-18% и силикагеля до указанной удельной поверхности и получение указанного грансостава.