Способ получения тампонажного цементного раствора (варианты)

Изобретение относится к способу получения тампонажного раствора и может найти применение в нефтегазовой промышленности и, в частности, к области добычи углеводородов из пористых сред. Техническим результатом изобретения является повышение качества тампонажного раствора за счет усиления армирующих и кристаллизующих свойств нанодобавок с обеспечением их равномерного распределения в объеме тампонажного раствора. В способе получения тампонажного цементного раствора, включающем перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора с помощью устройства, размещенного внутри цементного трубопровода, высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ и направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора и обеспечивающим градиент напряженности 3-5 кЭ/см, в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой. В другом варианте способа получения тампонажного цементного раствора, включающем перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора в цементном трубопроводе с помощью устройства высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность и направление на обратное по ходу движения раствора, устройство размещено снаружи цементного трубопровода, а указанное магнитное поле меняет свою напряженность в диапазоне 0,6-2,0 кЭ и направление на обратное с периодом 3-20 см по ходу движения раствора и обеспечивает градиент напряженности 3-8 кЭ/см, в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, в частности к способам получения тампонажного цементного раствора, и может быть использовано при креплении скважин и водоизоляционных работах.

Известен способ (Патент РФ №2117750 - прототип) обработки цементного раствора магнитным полем, включающий обработку магнитным полем цементного раствора, при котором в качестве магнитного поля используют высокоградиентные магнитные поля, меняющие свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ и направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора и обеспечивающие градиент напряженности 3-5 кЭ/см.

В известном способе влияние магнитной обработки проявляется через воздействие на ферромагнитные частицы, которые под воздействием магнитного поля дробятся и тем самым увеличивают число активных центров кристаллизации цемента. Период расположения магнитов и магнитопроводов 6-12 см позволяет создать такой спектр переменного воздействия на ферроагрегаты, который лежит в диапазоне собственных колебаний этих ферроагрегатов, что позволяет реализовать явление их резонансного разрушения.

В цементе содержится 3,8-5,4% агрегатов ферромагнитных частиц (Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. М.: Недра, 1987, с.26-27).

Влияние магнитного поля проявляется в результате того, что магнитное поле воздействует главным образом на агрегаты ферромагнитных частиц. Под действием лоренцевых сил происходит эффективное их разделение на множество мелких частиц, состоящих главным образом из трехвалентного железа. Эти частицы увеличивают количество центров кристаллизации в тампонажном растворе, происходит его активация, что в итоге улучшает физико-механические свойства цементного камня и тампонирующую способность цементного раствора, а следовательно, и качество цементирования.

В результате магнитной обработки из имеющихся в цементе ферроагрегатов создаются однородные по своим свойствам центры кристаллизации, что приводит к более однородной плотной микроструктуре цементного камня и увеличению его механической прочности и химической стойкости.

Недостатком известного способа является недостаточная прочность получаемого цементного камня на разрыв и сжатие, что важно для использования цементного камня при креплении скважин и водоизоляционных работах, поскольку цементный камень при нефтегазодобыче постоянно подвергается проверке на разрыв и сжатие из-за воздействия на эксплуатационную колонну при спуске оборудования в скважину, изменении давления в околоскважинных породах или при использовании цементного (пеноцементного) камня в качестве кольматирующего агента.

Добавление в цемент нанодисперсных модификаторов позволяет повысить прочность бетонов и пенобетонов (Войтович В.А. Нанонаука, нанотехнологии, строительные наноматериалы // 02.10.2006, «СтройПРОФИль», 6 (52), Интернет, Нанопенобетон.htm).

В качестве нанодисперсных модификаторов используют микрокремнезем, различные углеродосодержащие наноструктуры (Кодолов В.И., Хохряков Н.В., Тринеева В.В., Благодатских И.И. Активность наноструктур и проявление ее в нанореакторах полимерных матриц и в активных средах // Химическая физика и мезоскопия, 2008, т, 10, №4, с.448-460), гидроксид алюминия (Корнеев В.И., Медведева И.Н., Ильясов А.Г. Ускорители схватывания и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия // Цемент и его применение, 2003, №2, с.40-42), углеродной фибры, модифицированной углеродными нановолокнами (US Patent WO 2006091185, 2006-08-31), фуллереноподобные частицы (Патент РФ №2233254, 2004 г.), при введении которых прочность бетона на сжатие может быть повышена на 12-16% относительно контрольных серий. При этом для низкомарочных мелкозернистых бетонов, в которых прочность определяется не параметрами заполнителя, а, в основном, свойствами цементного камня, упрочнение может быть двукратным, а для высокомарочных составляет 20-30% от исходной прочности. Значения концентраций фуллероидов, необходимых для достижения описываемого эффекта, лежали в диапазоне 0,001-0,0001 мас.% (относительно массы бетона), что означает от 10 до 1 грамма в расчете на 1 тонну бетонной смеси.

Как показали дальнейшие исследования, добавка различных углеродосодержащих наноструктур в количестве 0,03-0,07% позволяет повысить прочность цементного камня в 1,5-2 раза. Углеродосодержащие нанодобавки являются центрами новообразований волокнистой структуры. С увеличением концентрации углеродосодержащих наноструктур более 0,1 мас.% их влияние на свойства пеноцемента (пенобетонов) не проявляются (Кодолов В.И., Хохряков Н.В., Тринеева В.В., Благодатских И.И. Активность наноструктур и проявление ее в нанореакторах полимерных матриц и в активных средах // Химическая физика и мезоскопия, 2008, т.10, №4, с.448-460).

При этом крайне важным является обеспечение равномерного распределения наночастиц - инициаторов схватывания цемента, - в объеме бетонов (Пономарев А.Н. Нанобетон - концепция и проблемы. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и анизотронных добавок // Строительные материалы, 2007, №6).

Таким образом, недостатком известных способов добавки наноструктур в цементный раствор является их неравномерное распределение по объему цементного раствора, что и ухудшало их свойства при увеличении количества наноструктур более 0,1 мас.%.

Техническим результатом изобретения является повышение качества цементных растворов за счет усиления армирующих и кристаллизующих свойств нанодобавок в цементном растворе с обеспечением их равномерного распределения в объеме цементного раствора.

Новообразования волокнистой структуры на основе нанодобавок являются «арматурой» цемента, и их использование в сочетании с магнитной обработкой будет обеспечивать лучшие прочностные свойства цементного раствора. Кроме того, значительное отличие в содержании наноструктур в цементе (3,8-5,4%) позволяет предложить добавлять в цемент наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы цементного раствора для получения бóльших центров кристаллизации цемента. Необходимый технический результат достигается тем, что в способе получения тампонажного цементного раствора, включающем перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора с помощью устройства, размещенного внутри цементного трубопровода, высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ и направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора и обеспечивающим градиент напряженности 3-5 кЭ/см, в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой. В способе используют углеродосодержащие наноструктуры или указанные наноструктуры, содержащие ионы металлов, в частности ионы меди или никеля. Используют также наноструктуры в виде ферроагрегатов, также смесь их с наноструктурами, содержащими, в частности, ионы меди или никеля. В другом варианте способа получения тампонажного цементного раствора, включающем перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора в цементном трубопроводе с помощью устройства, высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность и направление на обратное по ходу движения раствора, устройство размещено снаружи цементного трубопровода, а указанное магнитное поле меняет свою напряженность в диапазоне 0,6-2,0 кЭ и направление на обратное с периодом 3-20 см по ходу движения раствора и обеспечивает градиент напряженности 3-8 кЭ/см, в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой. Магнитное поле может менять свое направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора. Магнитное поле может менять свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ. Градиент напряженности магнитного поля - 3-5 кЭ/см. Устройство для реализации способа обеспечивает создание магнитного поля за счет электрического тока. Причем в обоих вариантах способа используют углеродосодержащие наноструктуры или указанные наноструктуры, содержащие ионы металлов, в частности ионы меди или никеля. Используют также наноструктуры в виде ферроагрегатов или их смесь с наноструктурами, содержащими, в частности, ионы меди или никеля.

При расположении устройства для реализации способа внутри трубопровода оно содержит внешний трубопровод и кожух цилиндрической формы, внутри которого соосно и поочередно размещены магниты и магнитопроводы. Цементный раствор проходит между внешним трубопроводом и кожухом, который имеет заглушки с торцов. Кроме того, при расположении устройства для реализации способа снаружи цементного трубопровода внутри цементного трубопровода находится цилиндрическая вставка из магнитопровода, заключенная в металлическую оболочку, которую обтекает обрабатываемый магнитным полем цементный раствор.

Сущность изобретения заключается в том, что в соответствии с изобретением создают такие условия, при которых добавляемые в цементный раствор перед магнитной обработкой различные наноструктуры за счет магнитной обработки равномерно распределяются по объему цементного раствора.

Механизм процесса состоит в том, что прилагаемое высокоградиентное магнитное поле создает условия равномерного распределения наноструктур по объему цементного раствора.

Примеры реализации способа в лабораторных условиях.

Пример 1.

Была взята смесь портландцемента с водой в количественном соотношении 1:0,75. Раствор перемешивали в механическом устройстве 5 минут. Затем 1/3 раствора была взята как образец (стандартное приготовление цементного раствора - ст), еще 1/3 была взята для обработки магнитным полем (ом), в другую 1/3 раствора были досыпаны нанодобавки (углеродосодержащие наноструктуры, содержащие ион металла - никель) в количестве 0,2% от массы цементного раствора в этой пробе (ом+нд). Вторую и третью пробы пропустили через магнитное поле устройства для обработки цементного раствора со скоростью падения свободной струи. При этом было создано магнитное поле с градиентом напряженности 4,5 кЭ/см с напряженностью 1 кЭ и с периодами повторения указанных параметров 10 см.

После этого каждая из проб была помещена в стандартные формы 018×18 мм и 20×20×100 мм.

Растекаемость проб замеряли стандартным способом: брали среднее по диаметрам расплава в двух направлениях, соответствующих наибольшему и наименьшему диаметрам расплава.

Физико-механические свойства полученных растворов и цементного камня (бетон) представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Физико-механические свойства получаемого цементного камня (бетон) (образцы 018×18 мм) по способам - стандартный (ст), прототип (ом), заявляемый (ом+нд)
Способ получения	Плотность, г/см3	Растекаемость, см	Прочность на сжатие, МПа	Прочность на разрыв, МПа	Стабильность, %
ст	1,72	15,5	6,2	5,6	90
ом	1,80	14,0	6,4	12,8	94
ом+нд	1,86	13,3	7,5	15,2	100

Таблица 2
Физико-механические свойства получаемого цементного камня (бетон) (образцы 20×20×100 мм) по способам - стандартный (ст), прототип (ом), заявляемый (ом+нд)
Способ получения	Плотность, г/см3	Растекаемость, см	Прочность на сжатие, МПа	Прочность на изгиб, МПа	Стабильность, %
ст	1,72	15,5	24,4	9,0	90
ом	1,80	14,0	25,1	9,0	94
ом+нд	1,86	13,3	40,6	13,4	100

Пример 2.

По тому же принципу был изготовлен пеноцементный раствор. Вторую и третью пробы пропустили через магнитное поле устройства для обработки цементного раствора со скоростью падения свободной струи. При этом было создано магнитное поле с градиентом напряженности 8 кЭ/см с напряженностью 2 кЭ и с периодами повторения указанных параметров 20 см.

Физико-механические свойства полученных растворов и пенораствора представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3
Физико-механические свойства получаемого пеноцементного раствора (образцы ⌀18×18 мм) по способам - стандартный (ст), прототип (ом), заявляемый (ом+нд)
Способ получения	Плотность, г/см3	Растекаемость, см	Прочность на сжатие, МПа	Прочность на разрыв, МПа	Стабильность, %
ст	1,40	22,0	2,7	2,5	83
ом	1,42	22,0	3,4	3,7	95
ом+нд	1,45	21,0	5,6	5,4	100

Таблица 4
Физико-механические свойства получаемого пеноцемента (пенобетон) (образцы 20×20×100 мм) по способам - стандартный (ст), прототип (ом), заявляемый (ом+нд)
Способ получения	Плотность, г/см3	Растекаемость, см	Прочность на сжатие, МПа	Прочность на изгиб, МПа	Стабильность, %
ст	1,40	22,0	18,5	3,3	83
ом	1,42	22,0	18,8	3,3	95
ом+нд	1,45	21,0	38,7	5,6	100

Из таблиц 1-4 видно, что обработка магнитным полем цементного раствора с добавкой наноструктур улучшает его качество - лучшие прочностные свойства на сжатие, разрыв или изгиб, меньшую растекаемость.

Источники информации

1. Патент РФ №2117750 - прототип.

2. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. М.: Недра, 1987, с.26-27.

3. Войтович В.А. Нанонаука, нанотехнологии, строительные наноматериалы // 02.10.2006, «СтройПРОФИль», 6 (52), Интернет, Нанопенобетон.htm.

4. Кодолов В.И., Хохряков Н.В., Тринеева В.В., Благодатских И.И. Активность наноструктур и проявление ее в нанореакторах полимерных матриц и в активных средах // Химическая физика и мезоскопия, 2008, т.10, №4, с.448-460.

5. Корнеев В.И., Медведева И.Н., Ильясов А.Г. Ускорители схватывания и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия // Цемент и его применение, 2003, №2, с.40-42.

6. US Patent WO 2006091185, 2006-08-31.

7. Патент РФ №2233254, 2004.

8. Пономарев А.Н. Нанобетон - концепция и проблемы. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и анизотронных добавок // Строительные материалы, 2007, №6.

1. Способ получения тампонажного цементного раствора, включающий перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора с помощью устройства, размещенного внутри цементного трубопровода, высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ и направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора и обеспечивающим градиент напряженности 3-5 кЭ/см, отличающийся тем, что в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют углеродосодержащие наноструктуры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют указанные наноструктуры, содержащие ионы металлов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют наноструктуры, содержащие ионы меди или никеля.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют наноструктуры в виде ферроагрегатов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют наноструктуры по п.3 и наноструктуры по п.5.

7. Способ получения тампонажного цементного раствора, включающий перемешивание портландцемента и воды, введение добавки и обработку полученного раствора в цементном трубопроводе с помощью устройства высокоградиентным магнитным полем, меняющим свою напряженность и направление на обратное по ходу движения раствора, отличающийся тем, что устройство размещено снаружи цементного трубопровода, а указанное магнитное поле меняет свою напряженность в диапазоне 0,6-2,0 кЭ и направление на обратное с периодом 3-20 см по ходу движения раствора и обеспечивает градиент напряженности 3-8 кЭ/см, в качестве добавки используют наноструктуры в количестве 0,1-3% от массы раствора, а ее введение осуществляют перед магнитной обработкой.

8. Способ по п.8, отличающийся тем, что магнитное поле меняет свое направление на обратное с периодом 6-12 см по ходу движения раствора.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что магнитное поле меняет свою напряженность в диапазоне 0,6-1,0 кЭ.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что градиент напряженности магнитного поля 3-5 кЭ/см.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что устройство для реализации способа обеспечивает создание магнитного поля за счет электрического тока.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют углеродосодержащие наноструктуры.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют углеродосодержащие наноструктуры, содержащие ионы металлов.

14. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют углеродосодержащие наноструктуры, содержащие ионы меди или никеля.

15. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют наноструктуры- ферроагрегаты.

16. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют наноструктуры по п.14 и наноструктуры по п.15.