Тампонажный состав
Владельцы патента RU 2302444:
Открытое акционерное общество "Акционерная нефтяная компания "Башнефть" (ОАО "АНК "Башнефть") (RU)
Изобретение относится к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования скважин в нефтяной и газовой промышленности. Технический результат изобретения - повышение качества крепления скважин за счет использования пластичного цементного раствора с регулируемым временем схватывания, обеспечивающим высокие прочностные и адгезионные свойства цементного камня. Тампонажный раствор, включающий цемент, воду и добавку, в качестве указанной добавки содержит побочный продукт от производства гептила следующего состава, мас.%: натрий сернокислый - Na2SO4 95,5-97,0, нитрат натрия - NaNO3 0,5-1,0, хлористый натрий - NaCl 0,6-1,2, сернокислый кальций - CaSO4 0,4-1,0, нитрит натрия - NaNO2 не более 0,5, оксид железа - Fe2О3 не более 0,03, ионы магния Mg2+ не более 0,1, нерастворимый в воде остаток не более 0,4, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: цемент 100, указанный побочный продукт от производства гептила 2,0-5,0, вода 40-50. 2 табл.
Изобретение относится к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования скважин в нефтяной и газовой промышленности.
Известен тампонажный раствор, содержащий тампонажный портландцемент, конденсированную сульфитспиртовую барду (КССБ) в количестве от 0,1 до 0,7% к массе портландцемента и воду при водоцементном отношении от 0,5 до 0,4 [Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987, с.53].
Тампонажный раствор не обеспечивает необходимых сроков схватывания и прочности цементного камня.
Наиболее близким к предлагаемому составу, по назначению и совокупности существенных признаков, является тампонажный раствор, содержащий портландцемент, воду и нитрит натрия, содержащий добавку - жидкость плотностью 1183 кг/м3, с концентрацией следующих реагентов, мас.%:
| нитрит натрия | 15,2...22,3 |
| нитрат натрия | 0,69...1,96 |
| сульфат натрия | 4,76 |
| хлорид натрия | 0,08...8,25 |
| карбонат натрия | 0,40...1,5 7 |
При следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
| цемент | 100 |
| указанная добавка | 20...30 |
| вода | 20...30 |
Недостатками известного тампонажного раствора являются его низкая пластичность (растекаемость) и короткое время схватывания, что приводит к существенному ухудшению прокачиваемости цементного раствора, нарушению сплошности цементного камня в кольцевом пространстве и, как результат, снижению качества крепления скважин.
Задачей изобретения является повышение качества крепления скважин за счет использования пластичного цементного раствора с регулируемым временем схватывания, обеспечивающим высокие прочностные и адгезионные свойства цементного камня.
Для решения указанной задачи тампонажный раствор, включающий портландцемент, воду и добавку, в качестве указанной добавки содержит побочный продукт производства гептила с концентрацией следующих ингредиентов, мас.%:
| натрий сернокислый (Na2SO4) | 95,0...97,0 |
| нитрат натрия (NaNO3) | 0,5...1,0 |
| хлористый натрий (NaCl) | 0,6...1,2 |
| сернокислый кальций (CaSO4) | 0,4...1,0 |
| нерастворимый в воде остаток | не более 0,4 |
| ионы магния (Mg2+) | не более 0,1 |
| оксид железа (Fe2О3) | не более 0,03 |
| нитрит натрия (NaNO2) | не более 0,5 |
| вода | не более 1,0 |
При следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| цемент | 100 |
| указанная добавка | 2,0...5,0 |
| вода | 40...50 |
Побочный продукт производства гептила выпускается в виде порошка белого цвета по ТУ 2141-114-05766575-2004.
Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат - одновременное повышение пластичности (растекаемости) цементного раствора, сокращение времени его схватывания, а также повышениие прочностных и адгезионных свойств цементного камня обусловлен комбинированным влиянием солей предлагаемой добавки на основные стадии формирования цементного камня: растворение оксидов кальция и кремния, их взаимодействие в растворе и кристаллизацию образовавшихся силикатов.
Результаты лабораторных исследований показали, что побочный продукт производства гептила целесообразно применять в количестве 2,0-5,0 мас.ч. к цементу. Меньшее количество (менее 2,0 мас.ч.) его в цементе не оказывает существенного влияния на время схватывания цементного раствора, а также прочностные и адгезионные характеристики цементного камня. Увеличение количества побочного продукта производства гептила в цементе (свыше 5,0 мас.ч.) существенно ускоряет время начала схватывания цементного раствора - до 1 ч, что является неприемлемым для проведения ремонтно-изоляционных и ремонтно-восстановительных работ в нефтяных и газовых скважинах.
Сравнение заявляемого тампонажного раствора с прототипом свидетельствует о том, что предлагаемый состав обладает новым качественным и количественным свойством, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Для проведения лабораторных исследований использовали портландцемент по ГОСТ 1581-91. Приготовление тампонажных растворов и определение их основных технологических параметров: растекаемость, время схватывания проводили согласно ГОСТ 26798.1-85; прочность цементного камня - по ГОСТ 26798.2-85. Пластифицирующий эффект от предлагаемого тампонажного раствора оценивали по сравнению с бездобавочным цементным раствором (ПЭ1] или прототипом (ПЭ2) по формуле:
,
Д1 - растекаемость предлагаемого тампонажного раствора;
Д2 - растекаемость бездобавочного тампонажного раствора (или прототипа) при одинаковом водоцементном отношении.
Цементный тампонажный состав готовился следующим образом. Навеску побочного продукта производства гептила смешивали с пресной водой и полученной смесью затворяли цемент. Для испытания было приготовлено несколько предлагаемых составов с различными соотношениями ингредиентов (см. таблицу 1). Все измерения проводились при температуре 22±2°С.
В таблице 2 приведены характеристики цементного раствора и цементного камня на основе предлагаемых составов и известного, а также цемента без добавок.
Видно, что с увеличением количества побочного продукта производства гептила с 2,0 до 5,0 мас.ч. увеличивается растекаемость цементного раствора, при этом пластифицирующий эффект предлагаемого раствора по сравнению с прототипом возрастает на 28-39%, а по сравнению с цементом без добавки - на 15-25%. Время начала схватывания изменяется в интервале 6-2 ч. Прочностные и адгезиионные характеристики цементного камня остаются на высоком уровне. Оптимальные характеристики цементного раствора и цементного камня достигаются при добавлении побочного продукта производства гептила в количестве 3,0 мас.ч. к цементу. При этом время начала схватывания цементного раствора составляет 4 ч, пластифицирующий эффект по сравнению с прототипом равен 33%, прочность на изгиб, сжатие достигает соответственно 5,4; 15,5 МПа, адгезия цементного камня к поверхности породы, металла и старого цементного камня выше, чем у прототипа.
Полученные данные свидетельствуют о том, что по сравнению с прототипом предлагаемый тампонажный состав является высокопластичным, обладает оптимальным временем схватывания и обеспечивает высокие прочностные и адгезионные свойства цементного камня.
Таким образом, применение предлагаемого цементного раствора в нефтегазодобывающей промышленности позволит повысить качество цементирования и долговечность крепи скважины.
| Таблица 1 Компоненты предлагаемого тампонажпого состава и ингредиенты побочного продукта производства гептила | |||||||||
| Тампонажный состав | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| цемент, мас.ч. | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | ||||
| вода, мас.ч. | 40 | 45 | 50 | 50 | 50 | ||||
| побочный продукт производства гептила, мас.ч. (мас.%): | 2,0 | (100) | 2.5 | (100) | 3,0 | (100) | 5,0 | (100) | 0 |
| натрий сернокислый (Na2SO4) | 1,900 | (95,00) | 2,425 | (97,00) | 2,880 | (96,00) | 4,800 | (96,00) | - |
| нитрат натрия (NaNO3) | 0,020 | (1,00) | 0,013 | (0,50) | 0,021 | (0,70) | 0,035 | (0,70) | - |
| хлористый натрий (NaCl) | 0,024 | (1,20) | 0,015 | (0,60) | 0,030 | (1,00) | 0,050 | (1,00) | - |
| сернокислый кальций (CaSO4) | 0,020 | (1,00) | 0,010 | (0,40) | 0,018 | (0,80) | 0,030 | (0,80) | - |
| нерастворимый в воде остаток | 0,008 | (0,40) | 0,005 | (0,20) | 0,009 | (0,30) | 0,015 | (0,30) | - |
| ионы магния (Mg2+) | 0,002 | (0,10) | 0,003 | (0,10) | 0,002 | (0,05) | 0,003 | (0,05) | - |
| оксид железа (Fe2О3) | 0,001 | (0,03) | 0,000 | (0,00) | 0,001 | (0,02) | 0,001 | (0,02) | - |
| нитрит натрия (NaNO2) | 0,010 | (0,50) | 0,013 | (0,50) | 0,009 | (0.30) | 0,015 | (0,30) | - |
| вода | 0,015 | (0,77) | 0,017 | (0,70) | 0,050 | (0,83) | 0,051 | (0,83) | - |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Свойства цементного раствора и цементного камня по предлагаемому и известному тампонажным составам | ||||||||||
| Тампонажный состав | Растекаемость, см | Время схватывания, ч-мин | Прочность цементного камня через 2 сут, МПа | Адгезия цементного камня через 2 сут, МПа | ПЭ1,% | ПЭ2,% | ||||
| начало | конец | на изгиб | на сжатие | к породе | к металлу | к цементу | ||||
| 1 | 23,0 | 6-00 | 8-00 | 4,5 | 12,5 | 1,14 | 1,05 | 1,11 | 15 | 28 |
| 2 | 24,0 | 5-30 | 7-30 | 4,9 | 13,3 | 1,20 | 1,22 | 1,23 | 20 | 33 |
| 3 | 24,0 | 4-00 | 6-00 | 5,4 | 15,5 | 1,41 | 1,56 | 1,38 | 20 | 33 |
| 4 | 25,0 | 2-00 | 3-00 | 5,0 | 14,4 | 1,35 | 1,33 | 1,26 | 25 | 39 |
| 5 | 20,0 | 8-00 | 10-00 | 3,7 | 9,4 | 0,98 | 0,82 | 0,72 | - | - |
| прототип | 18,0 | 1-15 | 2-30 | 5,2 | 15,8 | 1,00 | 1,40 | 0,90 | отсутствует | |
| ПЭ1 - пластифицирующий эффект по отношению к цементу без добавки ПЭ2 - пластифицирующий эффект по отношению к прототипу |
Тампонажный раствор, включающий цемент, воду и добавку, отличающийся тем, что в качестве указанной добавки он содержит побочный продукт от производства гептила следующего состава, мас.%:
| Натрий серно-кислый Na2SO4 | 95,5-97,0 |
| Нитрат натрия NaNO3 | 0,5-1,0 |
| Хлористый натрий NaCl | 0,6-1,2 |
| Серно-кислый кальций CaSO4 | 0,4-1,0 |
| Нитрит натрия NaNO2 | Не более 0,5 |
| Оксид железа Fe2O3 | Не более 0,03 |
| Ионы магния Mg2+ | Не более 0,1 |
| Нерастворимый в воде остаток | Не более 0,4 |
при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Цемент | 100 |
| Указанный побочный продукт | |
| от производства гептила | 2,0-5,0 |
| Вода | 40-50 |
