Тампонажный состав
Владельцы патента RU 2745980:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтяных, газовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных, умеренных и повышенных температурах. Тампонажный состав включает цемент портландцемент ПЦТ-I-50, технический углерод, пластифицирующую добавку и воду. В качестве пластифицирующей добавки используют клей ПВА-М «Экстра» или грунтовку глубокого проникновения 2-в-1 «Универсал». Заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях нормальных, умеренных и повышенных температур. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтяных, газовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных, умеренных и повышенных температурах.
Известна композиция для получения строительных материалов (патент RU №2345968, опубликованный 10.02.2009), содержащая цемент, песок, воду и углеродный наноматериал - сажу, полученную электродуговым методом и содержащую 7,0% углеродных нанотрубок, при следующем соотношении компонентов, мас. %: цемент - 20-30, наполнитель - 50-70, углеродный наноматериал - 1-2, вода - остальное.
Недостатком известной композиции является сложность промышленного производства сажи электродуговым методом в больших объемах.
Известен состав на основе минеральных вяжущих (патент RU №2233254, опубликованный 27.07.2004), включающий минеральное вяжущее, выбранное из группы, включающей цемент, известь, гипс, или их смеси и воду, дополнительно содержит углеродные кластеры фуллероидного типа с числом атомов углерода 36 и более при следующем соотношении компонентов в композиции (мас. %): минеральное вяжущее - 33-77; углеродные кластеры фуллероидного типа - 0,0001-2,0; вода - остальное. В качестве углеродных кластеров фуллероидного типа композиция может содержать полидисперсные углеродные нанотрубки, полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0.36 нм и размером частиц 60-200 нм или смесь полидисперсных углеродных нанотрубок и фуллерена С60.
Недостатками данного состава является сложный компонентный состав и сложность промышленного производства углеродных кластеров фуллероидного типа в больших объемах.
Известен состав на основе минеральных вяжущих (патент RU №2447036, опубликованный 10.04.2012), включающий портландцемент, песок, воду и углеродный материал, а в качестве углеродного материала содержит водную суспензию кавитационно-активированного улеродосодержащего матерала - КАУМ, в состав которого входят многослойные углеродные наноструктуры с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и размером частиц 60-200 нм, полидисперсные углеродные трубчатые образования с размерами 100000-1000000, гидрированные углеродные фрактальные структуры с размерами 1000-1000000 и активный рыхлый углерод с размерами дефектных микрокристаллитов графита, примерно равными 10 при следующем соотношении компонентов в композиции, мас. %: портландцемент - 25-50, песок - 30-60, Водная суспензия КАУМ - 0,024-0,64, вода - остальное.
Недостатками данного состава являются сложность промышленного применения, вследствие отсутствия технологии получения улеродосодержащего матерала - КАУМ в больших объемах.
Известен тампонажный материал (патент RU №2151268, опубликованный 20.06.2000), включающий портландцемент, углеродсодержащую добавку и хлорид кальция или натрия, в качестве углеродсодержащей добавки содержит технический углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 44-46, технический углерод 30-50, хлорид кальция или натрия - остальное. Технический результат - повышение седиментационной устойчивости раствора и получение электропроводного цементного камня.
Недостатком известного тампонажного материала является низкая прочность на сжатие и изгиб.
Известен тампонажный материал (авторское свидетельство SU №1645461, опубликованное 30.04.1991), принятый за прототип, используемый для крепления нефтяных и газовых скважин содержащий мас. %: алинитовый цемент 95,0-99,8, углеродсодержащий материал - 0,2-5,0. В тампонажном материале в качестве углеродсодержащего материала могут быть использованы технический углерод, отходы технического углерода, сажа, графит. Тампонажный материал позволяет получить газонепроницаемый цементный камень с повышенной прочностью сцепления с колонной.
Недостатками прототипа являются низкая сыпучесть и эффект зависания тампонажного материала в емкостях.
Техническим результатом является создание тампонажного смеси с определенными структурно-реологическими свойствами раствора, прочностными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективную изоляцию проницаемых пластов.
Технический результат достигается тем, что состав дополнительно содержит пластифицирующую добавку и воду, в качестве цемента используют портландцемент ПЦТ-I-50, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| портландцемент ПЦТ-I-50 | 66,0-63,0 |
| вода | 33,0-31,0 |
| технический углерод | 0,1-5,0 |
| пластифицирующая добавка | остальное |
В качестве пластифицирующий добавки используют клей ПВА-М «Экстра». В качестве пластифицирующий добавки используют грунтовку глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал».
Заявляемый тампонажный состав для повышения прочности цементного камня для крепления скважин включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:
| портландцемент ПЦТ-I-50, выпускаемый по ГОСТ 158196 | 66,0-63,0; |
| вода | 33,0-31,0; |
| технический углерод, выпускаемый по ГОСТ 7885-86 | 0,1-5,0; |
| пластифицирующая добавка: клей ПВА-М «Экстра», | |
| выпускаемый по ТУ 2385-008-51309101-01 | |
| или грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 | |
| «Универсал» для наружных и внутренних работ, | |
| выпускаемая по ТУ 2313-037-76174671-2005 | остальное. |
Портландцемент марки ПЦТ-I-50 имеет ряд преимуществ, а именно повсеместную доступность, высокий темп набора прочности, раннее образование замкнутой пористости, высокую прочность цементного камня, устойчивость к воздействую умеренных и повышенных температур. Растворы из портландцемента отличаются быстрым схватыванием и быстрым твердением, особенно при умеренных и повышенных температурах. Цементные смеси на основе портландцемента значительно превосходят в этом отношении алинитовый цемент. Использование предлагаемой тампонажной смеси позволяет эффективнее связать воду и уплотнить структуру камня и, тем самым, обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность.
Технический углерод - это одна из разновидностей углеродного материал, который представляет собой высокодисперсный порошок черного цвета, получаемый при термическом разложении или при неполном сгорании углеродсодержащих веществ, преимущественно углеводородов, в температурном интервале от 1200 до 1700°С. Технический углерод применяется в качестве усиливающего компонента в производстве резин и пластических масс.
Оптимальное содержание технического углерода составляет от 1,2 до 2,5 масс. %. При увеличении содержания технического углерода более 4 масс. % понижаются прочностные и проникающие характеристики цементного камня. Добавка технического углерода менее 0,5 масс. % приводит к слабой повышенному водоотделению тампонажного раствора, пониженной схватываемости цементных частиц, и пониженной прочности цементного камня, что негативно влияет на физико-механические характеристики тампонажного камня.
Пластифицирующая добавка предназначена для повышения подвижности цементной смеси и регулирования ее сроков схватывания и загустевания. Пластификаторы используются также для склеивания цементных частичек и уплотнения бетонных и растворных смесей.
Клей ПВА-М «Экстра» ТУ 2385-008-51309101-01 предназначен для применения в технологических процессах крепления скважин различного назначения с целью регулирования реологических свойств. Реагент обладает высокой клеящей способностью, используется в качестве уплотняющей и пластифицирующей добавки. Клей ПВА-М «Экстра» не обладает эффектом замедления сроков схватывания цементного раствора, сохраняет работоспособность при температурах до 210°С и не загущает раствор. Добавка характеризуется высокими адгезионными свойствами способствует плотному сцеплению камня с горной породой и обсадной колонной. Оптимальное содержание поливинилацетата составляет 2,5 масс. %. При увеличении содержания поливинилацетата более 5 масс. % наблюдаются снижение прочностных свойств, а также сцепления частичек цемента.
Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» для наружных и внутренних работ ТУ 2313-037-76174671-2005 глубоко проникает и укрепляет бетонные конструкции, улучшает сцепление покрытия с поверхностью, выравнивает впитывающую способность цемента. Реагент включает природные или синтетические, жидкие или твердые пленкообразующиеся вещества - олифы, алкидные смолы, мочевино-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. Они применяются при ремонтных работах для фасадов, стен, потолков, перекрытий, а также при отделке мебели и других предметов. Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» для наружных и внутренних работ пожаро- и взрывобезопасна, не имеет неприятного запаха. Использование грунтовки помогает достичь высокопрочного соединения окрашиваемой поверхности с краской или лаком. Реагент защищает окрашиваемую поверхность от коррозии и отслаивания. Кроме того, грунтовки могут выполнять и другие функции: защищать металл от коррозии, перекрывать поры и другие дефекты окрашиваемой поверхности, а также обеспечивать адгезионное сцепление в системах антикоррозионной защиты металла, дерева и бетона, также защита поверхностей от плесени и грибка. Кроме того, данная добавка легкодоступна и имеет низкую стоимость.
Оптимальное содержание грунтовки составляет 2,5 масс. %. При увеличении содержания поливинилацетата более 5 масс. % наблюдаются снижение структурно-реологических свойств тампонажного раствора.
Тампонажная смесь приготавливается следующим образом. Вначале для регулирования показателя растекаемости необходимо перемешать жидкие составляющие: воду, пластифицирующую добавку в виде поливинилацетата с массовой долей 0-3% или грунтовки с массовой долей 0-3% в течение 15-30 сек. Во вторую очередь добавить технический углерод с массовой долей 0,5-4%, продолжая перемешивание в течение 15-30 сек. После чего добавить цемент ПЦТ-I-50 с водоцементным соотношением 0,5. Полученный состав перемешивать в течение 3-5 мин.
Пример 1. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица 1, состав 3) необходимо 64,93 мас. % ПЦТ-I-50; 32,47 мас. % воды; 2,60 мас. % технического углерода. В первую очередь необходимо смешать воду с техническим углеродом в течение 15-30 сек. Далее из приготавливают тампонажный раствор путем добавления цемента при водоцементном отношении 0,5. После перемешивания в течение 3-5 мин определяют плотность (г/см3), растекаемость (мм), водоотделение (мл), время загустевания до консистенции 30 Вс, (мин) полученного раствора . Оставшуюся часть раствора смеси заливают в формы для определения предела прочности камня (МПа) при одноосном сжатии, хранят при температуре 22°C в течение 1, 3, 10 суток.
Приготовленный тампонажный раствор имеет плотность 1,87 г/см3, растекаемость 220 мм, водоотделение 1,2 мл, время загустевания до консистенции 30 Вс 305 мин, предел прочности цементного камня при одноосном сжатии составляет при сжатии 14,9; 25,07; 31,23 Мпа после 1, 3, 10 суток твердения.
Составы и структурно-реологические результаты заявляемой тампонажной смеси приведены в таблице 1. Полученные результаты прочностных испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 1 - состав и структурно-реологические результаты заявляемой тампонажной смеси.
| № | Состав, мас. % | Плотность, г/см3 | Растекаемость, мм | Водоотделение, мл | Время загустевания до консистенции 30 Вс, мин | ||||
| ПЦТ-I-50 | Технический углерод | Клей ПВА-М «Экстра» | Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» | Вода | |||||
| 1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1 | 65,79 | 1,32 | - | - | 32,89 | 1,86 | 230 | 2,35 | 330 |
| 2 | 64,1 | 1,28 | 2,57 | - | 32,05 | 1,87 | 200 | 1,80 | 270 |
| 3 | 64,93 | 2,6 | - | - | 32,47 | 1,87 | 220 | 1,20 | 305 |
| 4 | 63,29 | 2,53 | 2,53 | - | 31,65 | 1,82 | 200 | 0,85 | 240 |
| 5 | 63,29 | 2,53 | - | 2,53 | 31,65 | 1,78 | 240 | 1,05 | 290 |
| 6 | 64,1 | 3,85 | - | - | 32,05 | 1,89 | 190 | 0,95 | 300 |
Пример 2. Технический углерод в количестве 1,28 мас. % смешивают с клеем ПВА-М «Экстра» 2,57 мас. % и водой 32,05 мас. %. В раствор добавляют портландцемент марки ПЦТ-I-50 в количестве 64,10 мас. %. Получившийся состав тщательно перемешивают до получения однородной массы. Раствор приготавливают также, как в примере 1.
Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.
Пример 3. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):
| Портландцемент ПЦТ-I-50 | 64,93 |
| Вода | 32,47 |
| Технический углерод | 2,60 |
Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.
Пример 4. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):
| Портландцемент ПЦТ-I-50 | 63,29 |
| Вода | 31,65 |
| Технический углерод | 2,53 |
| Клей ПВА-М «Экстра» | 2,53 |
Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.
Пример 5. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):
| Портландцемент ПЦТ-I-50 | 63,29 |
| Вода | 31,65 |
| Технический углерод | 2,53 |
| Грунтовка глубоко проникновения 2-в-1 «Универсал» | 2,53 |
Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.
Пример 6. Тампонажный состав получается, как в примере 1, при следующем соотношении масс (мас. %):
| Портландцемент ПЦТ-I-50 | 64,10 |
| Вода | 32,05 |
| Технический углерод | 3,85 |
Раствор приготавливают также, как в примере 1. Состав композиции и прочностная характеристика приведены в таблицах 1 и 2.
Применение предлагаемого тампонажного раствора позволит расширить область применения тампонажной смеси и обеспечить длительное надежное крепление обсадных колонн при нормальных, умеренных и повышенных температурах и повысить прочность адгезионного сцепления тампонажной смеси с горной породой и обсадной колонной.
Таблица 2 - результаты прочностных испытаний.
| № | Предел прочности на одноосное сжатие цементного камня, МПа | |||||
| 20°С | 75°С | |||||
| 1 сутки | 3 суток | 10 суток | 1 сутки | 3 суток | 10 суток | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | 11,14 | 22,43 | 25,45 | 10,48 | 20,17 | 24,20 |
| 2 | 9,31 | 18,11 | 22,97 | 8,59 | 17,30 | 21,03 |
| 3 | 14,90 | 25,07 | 31,23 | 12,98 | 23,91 | 28,72 |
| 4 | 9,08 | 15,56 | 22,17 | 7,43 | 13,56 | 18,92 |
| 5 | 10,95 | 19,75 | 24,80 | 9,61 | 15,95 | 22,57 |
| 6 | 7,49 | 15,04 | 19,65 | 7,02 | 14,52 | 18,62 |
Таким образом, заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях нормальных, умеренных и повышенных температур.
1. Тампонажный состав, включающий цемент, технический углерод, отличающийся тем, что дополнительно содержит пластифицирующую добавку и воду, в качестве цемента используют портландцемент ПЦТ-I-50, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Портландцемент ПЦТ-I-50 | 66,0-63,0 |
| Вода | 33,0-31,0 |
| Технический углерод | 0,1-5,0 |
| Пластифицирующая добавка | остальное |
2. Тампонажный состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используют клей ПВА-М «Экстра».
3. Тампонажный состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующей добавки используют грунтовку глубокого проникновения 2-в-1 «Универсал».
