Композиция аэрированного цементного раствора

 

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, а именно к креплению скважин с АНПД, а также к монолитному строительству с получением термоизоляционного материала. Композиция содержит вяжущее, порообразователь, структурообразователь, воздух и воду. Структурообразователь представляет собой отход фарфорофаянсового производства ОФФП в виде пасты, содержащей, маc. %: доломит 20-30, силикат натрия 12-20, глинозем 15-20, каолин 10-15, фритту фаянса 10-20 и воду. Технический результат - получение повышенной пластической прочности в ранние сроки твердения цементного раствора, седиментационной устойчивости, безусадочного тампонажного камня за счет повышения его однородности и соответствия теоретически возможной плотности, полученной в пределах 800-300 кг/м³ сохраняющей гидрофобные свойства. 1 табл.

Изобретение относится к материалам, используемым в строительстве нефтяных и газовых скважин с аномально низким пластовым давлением, и может быть использовано в сборном и монолитном строительстве.

Известна сырьевая смесь для цементных растворов, состоящая из портландцемента, наполнителя, порообразователя и воды (пат. РФ N 1745893, E 21 B 33/138 от 07.12.89) и недостатки данной системы: усадочный раствор, несоответствие заданной плотности, так как процесс образования газовой дисперсии опережает стадию стабилизации, низкая пластическая прочность цементного раствора-камня.

В качеств порообразователя-структурообразователя взят неонолоксиэтилированный моноалкилфенол, который экологически вреден и не придает образовавшемуся камню гидрофобные свойства.

Наиболее близкой к заявленному по технической сущности и достигаемым результатам является композиция аэрированных тампонажных растворов, содержащих, мас.%: портландцемента 43-79, порообразователя - отход производства сульфонола 0,05-0,5, воздух 0,01-0,1, вода остальное, (пат. РФ 2084427, E 21 B 33/138, C 04 B 38/02 - прототип).

Недостатки: усадочный раствор при плотности 800-250 кг/см³, несоответствие заданной плотности, низкая пластическая прочность.

Задачей изобретения является получение повышенной пластической прочности в ранние сроки твердения цементного раствора, его седиментационная устойчивость, получение безусадочного тампонажного камня за счет повышения его однородности и соответствие теоретически возможной плотности полученной в пределах 800-300 кг/м³, сохраняющих гидрофобные свойства.

Сущность изобретения заключается в том, что композиция аэрированного тампонажного раствора, содержащая вяжущее, порообразователь, структурообразователь, воздух и воду, в качестве структурообразователя содержит отход фарфорофаянсового производства в виде пасты ОФФП, содержащей, мас.%: доломит 20- 30, силикат натрия 12-20, глинозем 15-20, каолин 10-15, фритта фаянса 10-20 и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: вяжущее - 55-65,5 порообразователь - 0,01-0,2 структурообразователь ОФФП - 0,3-0,6 воздух - 0,01-0,2 вода - остальное Структурообразователь представляет собой пасту, состоящую из мелкодисперсных окислов, серо-голубого цвета, плотностью 1,34 - 1,60 г/см³, pH 7, с частицами 0,01-0,001 мм до 80 - 90% и 10-20% воды.

Данный реагент получают на фарфорофянсовых заводах при шлифовке обоженной посуды и после покрытия ее глазурью.

При ее производстве используется высококачественное сырье, поставляемое по ГОСТам.

1 Доломит, выпускаемый по ТУ ГОСТ 23672-70, содержащий не более 34% CaO.

2. Силикат натрия, ГОСТ 2189-78, РСГРФ 43 - 77.

3. Глинозем ГОСТ 135835-81, 21-21612-81 с частицами 0,01-0,001 мм не менее 62% и содержащего Al₂O₃ - 33-36%.

4. Каолин, обожженный для керамических изделий, ГОСТ 21286-82 Al₂O₃ -36%.

5. Фритта фаянса (глазурь), ТУ 17 РФ 20-7298-91.

Все сырье применяется для приготовления пищевой посуды, является не токсичным, не взрывоопасным, не горючим, экологически чистым.

Показатели структурообразователя должны соответствовать нормам: 1. Массовая доля твердого вещества - 70-90 2. Массовая доля воды,% - 30-10 3. Плотность раствора, г/см³ - 1,5- 1,3
4. pH раствора - 7
5. Размер частиц, мм - 0,01-0,001
6. Срок хранения, год - 2
Данный реагент структурирует систему, дает безусадочный материал в соответствии с реальной и теоретической плотностью за счет равномерного распределения газа или воздуха в дисперсии. Кроме этого повышается пластическая прочность в ранние сроки и прочность на сжатие цементного камня. Особенно это важно при получении цементного раствора плотностью 800 - 300 кг/м³.

С применением данного структурообразователя снижается потребление порообразователя, физико-химические характеристики системы улучшены по сравнению с прототипом, благодаря сочетанию составляющих компонентов и их мелкодисперсности.

Рентгенографический анализ обнаружил соединения минерала гидрогерлита в составе системы, который имеет сложную решетку. Кристалл его состоит из двойных слоев гидроксильных групп, между которыми находятся атомы алюминия. Его одноядерные комплексоны полимеризуются в комплексоны многоядерные, которые связаны с длинной цепочкой SiO₂. Такой комплекс позволяет расположиться максимальному количеству газа или воздуха в системе аэрированного раствора. Молекулярные частицы других минералов располагаются в газонаполненной системе, повышая ее прочность.

В качестве вяжущего берется портландцемент любой марки и любого завода изготовителя. Все компоненты смешиваются с водой, затем подается еще воздух с помощью компрессора, аэрируется раствор.

Порообразователь вступает во взаимодействие со структурообразователем и вяжущим. Воздухововлечение идет естественно за счет растворения пенообразователя и принудительной подачи за счет аэрирования. Причем объем выхода раствора по сравнению с прототипом четко соответствует расчетной плотности и стабилен в течение всего процесса приготовления и твердения.

После аэрации цементный раствор исследуется на физико-механические показатели (табл. 1). Соответствие расчетной плотности раствора и камня полное, пластическая прочность выше, чем у прототипа.

Прочность на изгиб определялась на приборе МИИ - 100, на сжатие с помощью гидравлического пресса типа ПСУ-20, пластическая прочность на приборе "Хеплера".

В качестве порообразователя может быть применен сульфонат, морпен, ОП и др.

Пример N 1.

Берем 48 г портландцемента, вводим 0,1 г сульфоната - реагента порообразователя и 0,45 г ОФФП - структурообразователя и 44,68 г воды, размешиваем, аэрируем (воздух 0,105). Замеряем плотность исходного раствора и рассчитываем плотность полученного камня. Усадка раствора - 0, исходная плотность раствора 500 кг/м³, расчетная и фактическая плотность цементного камня 800 кг/м³. Пластическая прочность 0,19 МПа, устойчивость аэрированного раствора 100%, гидрофобность камня - более 4 часов.

Пример N 2.

Портландцемент 65,5 г вводим 0,2 г морпена - порообразователя и 0,6 г ОФФП и 33,50 г воды, аэрируем (0,2 г). Пластическая прочность 0,29 МПа. Плотность раствора 200 кг/м³, плотность расчетная и фактическая полученного камня совпадают и равны 400 кг/м³.

Усадка аэрированного раствора и камня - 0%. Гидрофобность аэрированного камня - более 14 часов.

Пример N 3.

Портландцемента 55 г. Порообразователя - сульфоната 0,15 г, 44,75 г воды, аэрируем (0,1 г воздуха). Пластическая прочность - 0,05 МПа. Раствор при плотности 500 кг/м³ не однороден, камень усадочный - 0,2%.

Расчетная плотность камня не соответствует фактической (700 кг/м³, а фактически 800 кг/м³ - прототип).

При использовании аэрированных растворов для цементирования скважин.

Величина гидравлических потерь в затрубном пространстве для глубин до 3500 м, как правило, не превышает 10% гидростатического забойного давления в конце процесса продавливания.

Разработан расчет процесса цементирования и выбора степени аэрации тампонажного раствора, позволяющий получать устойчивые аэрированные тампонажные системы и повысить качество крепления скважин.

При строительстве данный состав может быть использован в монолитном строительстве для получения конструкционного и термоконструкционного материала.

Формула изобретения

Композиция аэрированного цементного раствора, содержащая вяжущее, порообразователь, структурообразователь, воздух и воду, отличающаяся тем, что в качестве структурообразователя она содержит отход фарфорофаянсового производства в виде пасты ОФФП, содержащей, мас.%: доломит 20 - 30, силикат натрия 12 - 20, глинозем 15 - 20, каолин 10 - 15, фритт фаянса 10 - 20 и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Вяжущее - 55 - 65,5
Порообразователь - 0,01 - 0,2
Структурообразователь - ОФФП - 0,3 - 0,6
Воздух - 0,01 - 0,2
Вода - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1