Расширяющийся тампонажный материал
РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий портландцемент , хроматный шлам и компонент. 3 К ТЕХсодержащий СаО в активной форме, отличающийся тем, что, с целью создания равномерного напряженнд.го контакта в системе: стенка скважины - цементный камень-обсадная колонна за счет увеличения расширения цементного камня в интервале температур 22-140°С, он включает компонент, содержащий более 45°/о окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мае: ч: Портландцемент100 Компонент, содержащий более 45% СаО5-20 . Хроматный щлам6-12.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
4(5в Е 21 В 33/138
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К A BTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий (21) 3551390/22-03 (22) 29. 1 1.82, (46) 15.01.85. Бюл. № 2 (72) Н. Х. Каримов, В. И. Петерс, Л. С. Запорожец, Т. К. Рахматуллин и М. А. Танкибаев (71) Актюбинское отделение Казахского научно-исследовательского геологоразведочного нефтяного института (53) 622.245.42 (088.8) (54) (57) РАСШИРЯЮЩИЛСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий портландцемент, хроматный шлам и компонент, „SU„. 1134701 A содержащий СаО в активной форме, отличающийся тем, что, с целью создания равномерного напряженнОго контакта в системе: стенка скважины - цементный камень-обсадная колонна за счет увеличения расширения цементного камня в интервале температур
22-140 С, он включает компонент, содержащий более 45% окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мас: ч:
Портландцемент 100
Компонент, содержащий более 45% СаО 5-20
Хроматный шлам 6-12.
1134701
5-10
Известный расширяющийся тампонажный материал используется при цементировании высокотемпературных скважин при температуре более 120 С и содержит в сумме окиси кальция и магния до 40О/о.
Его получают в виде тонкодисперсного порошка обжигом при 950-1050 С.
Совместное присутствие окисей кальция и магния в активной форме позволяет получить расширение около 2 /О.
Однако при цементировании глубоких нефтяных и газовых скважин (в условиях Зр гидростатического давления) при доставке раствора в заколонное пространство в tipoцессе его перемешивания и под действием гидравлического давления величина расширения значительно уменьшается.
Из-за малой величины расширения не создается достаточного уплотнения глинистой корки на стенках скважины и обсадной колонне; поэтому при деформации обсадной колонны от температурных колебаний и изменения давления в колонне, происхо- 4р дит отрыв ее от цементного камня и вокруг колонны образуется микрокольцевое пространство.
Кроме того, в цементном камне появляются микротрещины из-за неравномерного расширения по высоте ствола скважины от устья до забоя.
Наиболее близким к предлагаемому является расширяющийся тампонажный материал, включающий, вес. ч: хроматный шлам и компонент, содержащий СаО в активной форме.
Из анализа прототипа следует, что расширяющийся тампонажный материал, включающий портландцемент, шлак алюмотермического производства ферротитана и гипсосодержащий компонент, имеет расшире- 55 ние, обусловленное кристаллизационным давлением кристаллов высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция.
Изобретение относится к области глубокого бурения, в частности к тампонажным материалам, предназначенным для цементирования нефтяных и газовых скважин.
Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий в качестве расширяющего компонента окись кальция СаО и окись магния MgO.
Расширяющийся тампонажный материал содержит, вес. ч.:
Пыль электрофильтров
Цементосодержащий компонент, включающий
СаО, обожженные доломитизированные отходы обогащения полиметал15 лических руд l5 — 20
Компонент, содержащий
MgO и в активной форме фосфорный шлак Остальное
Однако рас ш ирен .е, достигающее 56 /р, происходит весьма медленно и не завершается после 28 сут, при этом с повышением температуры выше 75 С эффект сульфоалюминатного расширения снижается из-за дегидратации высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, который отдает химически связанную воду.
Введение дополнительно отходов производства хромовых солей позволяет при 75 С и выше получить безусадочный, расширяюгцийся цемент, расширение и самонапряжение которого недостаточно велики, что не позволяет получить равномерный контакт в системе: стенка скважины-цементный камень-обсадная колонна.
Цель изобретения — создание равномерного напряженного контакта в системе: стенка скваж и ны — цементный камен ь — обсадная колонна за счет увеличени - расширения цементного камня в интервале 22-140 С.
Поставленная цель достигается тем, что расширяющийся тампонажный материал, включающий портландцемент, хроматный шлам и и компонент, содержащий СаО в активной форме; включает компонент, содержащий более 45 /о окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мас.ч.:
Портландцемент 100
Компонент, содержащий более 45О/ц СаО 5-20
Хроматный шлам 6-12
Введение в расширяющийся тампонажный материал в качестве расширяющейся добавки известьсодержащего компонента с содержанием СаО более 45О/р и хроматного шлама в количестве 6-12 мас.ч. позволяет создать равномерный напряженный контакт между цементным камнем, обсадной колонной и стенками скважины. Величины контактных напряжений достигают
20-35 кг/см .
При содержании хроматного шлама менее 6 мас.ч. не удается получить расширения, необходимого для создания напряженного контакта.
При содержании хроматного шлама более 12 мас.ч. в цементном камне появляются микротрещины (вследствие резко увеличивающегося коэффициента расширения), что приводит к нарушению герметичности затрубного пространства.
При повышении более 20 мас. ч содержания компонента с СаО более 45О/О происходит значительное понижение прочности за счет образования большого количества гидроокиси кальция внутри структуры цементного камня. При уменьшении количества компонента за пределы 5 мас.ч. уменьшается коэффициент расширения. Расширение тампонажного материала недостаточно для уплотнения глинистой корки, что не предот1134701
55 вращает образования микрокольцевого зазора.
В предлагаемом расширяющемся тампонажном материале основное расширение и напряженный контакт в интервале 2275 С создаются за счет компонента, содержащего более 45Р/р СаО, в интервале 120 С и выше — за счет компонента, содержащего окись магния в активной форме — хроматного шлама, в интервале 75-120 С расширение и напряженный контакт создаются за счет совместной работы компонентов с СаО и MgO в активной форме.
Расширение и напряженный контакт в интервале до 120 С создается за счет образования гидроокиси кальция, в интервале выше 120 С вЂ” за счет образования из активной формы окиси магния гидрата окиси магния.
При 75 С и выше процесс гидратации компонента, содержащего СаО более 45Р/р происходит настолько быстро, что значительная часть окиси кальция превращается в гидроокись еще до появления структуры, уменьшая тем самым величину расширения.
Гидратация окиси магния несколько замедлена во времени и происходит в период, когда камень уже обладает кристаллизационной структурой и способствует увеличению степени расширения и плотности цементного камня.
Пример. Для приготовления расширяющегося тампонажного материала состава
100:15:9 берут 2000 r цемента, 300 ч твердого остатка содового производства обожженного при 800-900 С, и 180 г хроматного шлама. Компоненты перемешивают и активируют в дезинтеграторе.
Из полученного тампонажного материала изготавливают образцы согласно ГОСТ
1576-81, определяют объемные изменения и величину самонапряжения. При приготовлении расширяющегося тампонажного материала в производственных условиях исходные компоненты (портландцемент, компонент с содержанием СаО более 45Р/р, например твердый остаток содового производства, и компонент, содержащий MgO в активной форме, например хроматный шлам) в отдельности через дозирующие устройства, которые отрегулированы на получение необходимого соотношения компонентов, подаются в дезинтегратор, где размалываются и смешиваются. Полученная сухая смесь в контейнерах подается на буровую, затворяется (известным способом) водой для закачки в скважину.
В табл. 1 приведены свойства расширяющегося тампонажного материала при использовании в качестве компонента, содержащего более 45o/р СаО, известняка Акжарского карьера Актюбинской области, обожженного при 1200 С в течение 2 ч.
В табл. 2 гриведены свойства расширяющегося тампонажного материала при использовании в качестве компонента, содержащего более 45 /р СаО, глинистого известняка Каратауского карьера Актюбинской области, с содержанием частиц силикатных минералов до 25 /р, обожженного при 1100 С в течении 2 ч.
В табл. 3 приведены свойства расширяющегося тампонажного материала, когда в качестве компонента с содержанием СаО более 45 /р применяли доломитизированный известняк Мугоджарского карьера Актюбинской области, обожженного при 1000 С в течение 2 ч.
Свойства предлагаемого расширяющегося тампонажного материала и прототипа приведены в таблице 4.
Из табличных данных видно, что при уменьшении количества компонента, содержащего окись кальция, до 4Р/р оксидное расширение при нормальной температуре и
75 С равно нулю и сцепление цементного камня с колонной минимально.
Увеличение количества компонента, содержащего свободную окись кальция, до
21 /р (в тех же условиях) характеризуется уменьшением величины расширения приблизительно в 2 раза по сравнению с оптимальным составом, что приводит к значительному снижению напряжения в контактных зонах.
Кроме того, при уменьшении количества компонента, соде,.,кащего окись магния в активной форме яснее 6Р/р расширение при температуре 75" равно нулю, а при 140 С—
0,32, что свидетельствует о значительном уменьшении напряжения в контактных зонах. При увеличении количества магния свыше 12 /р происходит снижение величины расширения до 0,46, что уменьшает напряжение в контактных зонах.
Таким образом, выход за пределы, указанные в формуле изобретения, снижает величины напряжения в контактных зонах и приводит к нарушению герметичности заколонного пространства.
Использование совместного расширения на основе окиси кальция и окиси магния в тампонажном материале способствует увеличению плотности цементного камня, уменьшению газопроницаемости в 3-4 раза и созданию равномерного напряженного контакта в системе. Величина расширения цементного камня на основе предлагаемого расширяющегося там пои аж ного материала больше, чем у прототипа, с0ответственно больше, чем у прототипа, и величина самонапряжения, что позволяет, как видно из табл. 4, получить равномерный контакт в интервале 22 — 140 С.
1134701
Таблица
Состав расширяющегося тампонаж ного материала, мас.ч.
ТемпеВеличина
Сила сцепления
Прочность на сжатие, кг/см влерасширения ратура,ОС е, а
Компонент
Пор тландв цемент дового производства) 15,0
6,0
18,0
100
100
8,2
24,1
19,3
57
141
41,0
88,0
70,0
100
11,3
19,2
17,3
100
26,2
36,0
35,0
15,2
21,5
16,3
100
18,5
26,0
23,6
12
10 22
140
13,9
27
34
37,8 с содержанием Са0 более 45Х (твердый остаток со
Компонент, содержащий
М80 в активной форме (отходы производст ва хромовых солей) 10 22 0 4
75 0,6
140 2,3
10 22 0 5
75 9,0
140 7,2
10 22 8,4
75 12,6
140 6,1
10 22 10 2
75 13,0
140 5,3 цеметного камня с обсадной колонной, кг/см
1134701
Темпе- Величина
ДавлеСостав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч. на сжатие, кг/см2 ления цементного расширература оС ние, ИПа
Компонент
Портландцемент камня с обсадной колонной, кгl производст ва хромовы солей) дового про изводства) 62,4
141,0
7,1
8,8
20,5
100
53,4
81,6
76,0
12,8
17,7
14,3
100
33,3
57,2
19,6
16,3
22,2
100
Сила сцепления цементного
Состав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч
Величина расширеДавле
ТемпеПрочность на сжатие, кг/см ратура,о С ние, МПа ния
Компонент
Портландцемент камня с обсадной колонной, кг/см2 дового про изводства) 100
50,0, 154,0
92,0
1,3 6,6
4,6 12
9,2 13
22
140
13,4 24,7
11,5 18,3
12,3 20,4
36,0
87,0
98,0
22
140
100 с содержанием Са0 более 452 (твердый остаток со с содержанием Са0 более 457 (твердый остаток со
Компонент, содержащий
NgO в активной форме (отходы
Компонент, содержащий
NgO в активной форме (o тходы производства хромовых солей) 10 22 2 1
75 3,0
140 6,8
10 22 9 0
75 6,4
140 5,3
10 22 11,3
75 10, 1
140 14,2
Таблица 2
Сила сцеп- Прочность
Таблица 3
1134701
Таблица 4
ТемпеВеличиДавление, МПа
Состав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч.
Прочность на сжана расширения тура, ос тие, xr/cM
Компонент
Портландцемент содового производства) 0,3
0,6
2,3
10,5
7,1
15,0
43,5
48,0
75,0
10 22
140
100
100
100
4,15
3,00
2,55
19,3
15 0
12,7
100, 7
26,0
29,0
10 22
140
100
100,15
100
41,0
58,2
69,0
81,1
1,93
1,12
0,46
100
21
Прототип (портландцемент 100, шпак алюмотермического производства 10, гипс 10, хроматный шлам 6) 111,0
135
10 60
50 120
2,0
6,0
0,2
1,2
Сост а витель Е. Та н гал ын е в
Редактор А. Ревнн Техред И. Верес Корректор О. Тигор
Заказ 1005! 29 Тираж 5 VO Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 с содержанием СаО более 45% (твердый остаток
Компонент, содержащий
Ng0 в активной форме (отходы производства хромовых солей) 10 22
140
10 22
140
10 22
140
10 22
140
10 22
140
0,1 22
10,1
12,3
6,2
11,25
2,7
5,2
9,0
5,7
4,3
0
3,2
Сила сцепления цементноro камня с обсадной колонной, кг/см
13,0
16,0
24,9
14, 79
13,79
26,0
16,0
19,5
18,0
5,1
6,2
19,22
9,12
8,53
7,12
8,2
36,0
67,0
107,0
38,8
24,0
35,0
67,0
83,0
95,0
81,5
88,0
140,0
