расширяющая композиция для тампонажного раствора

Формула изобретения

Расширяющая композиция для тампонажных растворов, содержащая порошок магнезитовый каустический и пластификатор, отличающаяся тем, что в качестве пластификатора содержит суперпластификатор «Полипласт СП-1» и дополнительно содержит коагулянт «Аква-Аурат» при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический 94,0-99,5, суперпластификатор Полипласт СП-1» 0,1 - 2,0, коагулянт «Аква-Аурат» 0,4-4,0.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании и креплении обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.

Известны расширяющиеся тампонажные растворы, содержащие портландцемент и порошок магнезитовый каустический в качестве расширяющейся добавки. Основу магнезитового каустического порошка составляет оксид магния, который является химически активной добавкой при высоких температурах (Каримов Н.X., Данюшевский В.С., Рахимбаев Ш.Р. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов. Обз. информ. Сер. «Бурение». М. ВНИИОЭНГ, 1980, с.15).

Недостатком известной добавки является малая активность и незначительное расширение тампонажного раствора и камня, низкая адгезионная способность к металлу обсадных труб и породе при нормальных и умеренных температурах.

Наиболее близким по составу, назначению и получению технического результата является расширяющая композиция для утяжеленного тампонажного раствора, содержащая железорудный концентрат, пластификатор феррохромлигносульфонат и порошок магнезитовый каустический (Патент РФ № 2170809, Е21В 33/138, 2001.07.20).

Недостатком состава является малая активность и незначительное расширение тампонажного раствора и камня при нормальных и умеренных температурах, высокая проницаемость камня.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение активности расширяющего компонента, повышающего адгезионные свойства тампонажного камня, снижающего его проницаемость и деформационные свойства в условиях нормальных и умеренных температур.

Поставленная задача решается тем, что расширяющая композиция для тампонажного раствора, содержащая порошок магнезитовый каустический и пластификатор, в качестве пластификатора содержит суперпластификатор «Полипласт СП-1» и дополнительно содержит коагулянт «Аква-Аурат» при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

порошок магнезитовый каустический	94,0-99,5
суперпластификатор «Полипласт СП-1»	0,1-2,0
коагулянт «Аква-Аурат»	0,4-4,0

Порошок магнезитовый каустический (ПМК) получается в результате улавливания пыли, образующейся при производстве спеченного периклазового порошка и выпускается следующих марок ПМК-90, ПМК-87, ПМК-83, ПМК-75 (ТУ - Порошки магнезитовые каустические, ГОСТ 1216-87). Порошки выпускается фракции 2-0; 009-0 мм. Физико-химические характеристики порошков магнезитовых каустических приведены в таблице 1.

Таблица 1
Физико-химические характеристики ПМК
Наименование показателя	ПМК-90	ПМК-87	ПМК-83	ПМК-75
Массовая доля, %
Окись магния, не менее	90	87	83	75
Окись кальция, не более	2,2	1,8	2,5	4,5
Окись кремния, не более	2,0	1,8	2,5	3,5
Окись (железо + алюминий), не более	2,2	2,2	-	-
Изменение массы при прокаливании, % не более	5	6	8	18
Изменение массы при прокаливании после гидратации, % не менее	20	20	-	-
Массовая доля влаги, % не более	1	1	1,3	1,5
Плотность, г/см 3 в пределах	3,1-3,4	3,1-3,4	3,1-3,4	3,1-3,4

Суперпластификатор «Полипласт СП-1» представляет собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы и изготавливается в виде порошка по ТУ 5870-005-58042865-05.

Коагулянт для очистки воды «Аква-Аурат» изготавливается по ТУ 6-09-05-1456-96 и представляет собой солевую композицию солей алюминия (полиалюминий гидроксид хлорид, алюминий гидрооксихлорид).

Технический результат, достигаемый заявляемой композицией, - увеличение величины расширения цементного камня нормальной плотности и его адгезии, снижение проницаемости тампонажного камня, твердевшего при нормальных и умеренных температурах. Он достигается в результате синергетического эффекта взаимодействия трех компонентов композиции, обеспечивающего повышение ее активности и ранней гидратации окиси магния в составе порошка магнезитового каустического с образованием гидроксида магния, вызывающего расширение тампонажного материала.

Процесс интенсивной гидратации окиси магния совпадает по времени с периодом пластического состояния формирующейся структуры и не вызывает внутреннего напряжения в ней, что обеспечено взаимодействием с суперпластификатором. Это способствует большему расширению, повышению адгезии и снижению проницаемости тампонажного камня, повышенной его деформативности.

Таким образом, чтобы создать необходимые контактные напряжения без ухудшения свойств цементного камня, максимальное расширение получено в ранние сроки твердения, а затем, по мере роста модуля упругости, скорость и величина расширения должны уменьшаться таким образом, чтобы возникающие внутренние напряжения оставались бы меньше, чем прочность разрыва структурных связей цементного камня. В данном случае скорость структурообразования матрицы расширяющихся материалов больше, чем скорость кристаллизации расширения.

Основным же техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является повышение качества цементирования скважины с достижением показателя АКЦ, равного единице.

Для приготовления заявляемой композиции ее компоненты смешивали в смесительном агрегате. Показатели расширяющей композиции проверяли по ГОСтам на тампонажные растворы.

Пример 1

Приготовили расширяющую композицию путем смешивания 94 г (94 мас.%) ПМК 75, 2,0 г (2,0 мас.%) суперпластификатора «Полипласт СП-1» и 4,0 г (4,0 мас.%) коагулянта «Аква-Аурат». Готовый состав расширяющей композиции в количестве 15 г (15% массы раствора) смешивали с 85 г (85% массы раствора) тампонажного портландцемента и затворяли 40 мл воды. Приготовленный раствор испытывали согласно существующим методикам. Показатели приведены в таблице 2, опыт 4.

Пример 2

Приготовили расширяющую композицию путем смешивания 99,5 г (99,5 мас.%) ПМК 90, 0,1 г (0,1 мас.%) суперпластификатора «Полипласт СП-1» и 0,4 г (0,4 мас.%) коагулянта «Аква-Аурат». Готовый состав расширяющей композиции в количестве 20 г (20% массы раствора) смешивали с 80 г (80% массы раствора) тампонажного портландцемента и затворяли 42 мл воды. Приготовленный раствор испытывали согласно существующим методикам. Показатели приведены в таблице 2, опыт 5.

Из таблицы 2, в которой приведены результаты испытаний тампонажных растворов с расширяющей композицией, содержащей различные заявляемые соотношения компонентов, видно, что проницаемость образуемого цементного камня практически равна нулю, что говорит о его высокой плотности. Высокие показатели адгезии говорят о безусадочности камня. Расширение тампонажного раствора происходило в диапазоне температур от 20°С и выше, в то время как у известных магнезиальных цементов расширение происходит лишь после 70°С.

Основное расширение в предлагаемом составе происходит в процессе схватывания цементного раствора. Взаимодействие солевого электролитного коагулянта «Аква-Аурат» со свободной окисью магния в составе ПМК приводит к быстрой гидратации и образованию комплексных гидроксидов магния, что расширяет температурный предел применения предлагаемого реагента в сторону более низких температур от 20 до 100°С. Электромикроскопическая структура твердеющего цементного камня с заявляемой расширяющей добавкой, представлена войлокообразной массой из удлиненных призматических кристаллов оксихлоридов магния и алюминия и их гексогональных гидроокисей. При дифракционных исследованиях на кривых прослеживаются не только пики Mg(ОН)₂ (d=4,78; 2,36; 1,79; 1,568 А°), но и пики других гидратов магния (MgO·MgCl ₂·13Н₂О; MgO·MgCl₂·15H ₂O-d=7,72; 2,39; 4,02; 2,41 А°). Это указывает на то, что в данной расширяющей композиции на основе порошка магнезитового каустического образуются устойчивые соединения, которые и обеспечивают более раннее расширение. Интенсивность уменьшения расширения в предлагаемом изобретении происходит при увеличении модуля упругости (Е_цк) от 1·10⁴ до 6·10⁴ МПа (по расчетным данным). При этом для сохранения напряженного контакта упругая деформация цементного камня получается больше, чем деформация колонны при снижении давления в ней. Поэтому с ростом модуля упругости цементного камня его расширение должно уменьшаться. Расширение заканчивается в интервале времени от 8 до 24 ч с момента затворения и не приводит к необратимым нарушениям структуры тампонажного камня. Начальная растекаемость этих растворов составляет 20-23 см и плотность от 1,8 до 2,0 г/см³ .