Облегченный тампонажный цемент и способ его получения

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и используется при цементировании глубоких скважин в сложных геологических условиях и на месторождениях на поздней стадии разработки, в геологическом разрезе которых имеются поглощающие пласты и пласты, склонные к гидроразрыву. Технический результат - снижение плотности цементного раствора до 1300-1400 кг/м³, уменьшение водоотделения, водоотдачи раствора, повышение прочности и коррозионной стойкости цементного камня для качественного цементирования нефтяных и газовых скважин в сложных геологических условиях. Облегченный тампонажный цемент, включающий смесь портландцемента, золы или трепела, дополнительно содержит микросферы диаметром не более 0,5 мм, а указанная смесь имеет удельную поверхность 9000-12000 см²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 70-85, зола или трепел 10-17, алюмосиликатные микросферы диаметром не более 0,5 мм 5-13. В способе получения облегченного тампонажного цемента путем смешения портландцемента, золы или трепела, для получения вышеуказанного облегченного тампонажного цемента измельчают портландцемент с удельной поверхностью 2000-2200 см²/г с золой или трепелом в дезинтеграторе до удельной поверхности 9000-12000 см²/г при скорости соударения частиц 90-140 м/с и частоте ударов 4-5 за 10^-3 с, а затем полученную смесь перемешивают с алюмосиликатными микросферами, диаметром не более 0,5 мм в смесителях-шнеках или барабанах до равномерного состава. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным материалам, и может быть использовано при цементировании глубоких скважин на месторождениях, имеющих поглощающие пласты и пласты, склонные к гидроразрыву.

В настоящее время для крепления скважин в указанных условиях используют облегченные тампонажные цементы. Технологическая практика показывает, что наилучший результат при креплении скважин достигается при использовании цементов, содержащих облегчающие добавки. Наиболее перспективным является применение облегчающих добавок на базе неорганического сырья, в частности высокодисперсных кремнийсодержащих веществ.

Известен облегченный тампонажный цемент, получаемый на основе портландцемента и трепела в соотношении 60:40 [1]. Данный цемент формирует камень с достаточной прочностью лишь при температуре не ниже 40°С.

Известен также облегченный тампонажный цемент [2] на основе клинкера, трепела и гипса, полученный их совместным помолом в шаровой мельнице при соотношении компонентов, мас.%: клинкер 55, трепел 40, гипс 5.

Этот цемент также при температурах ниже 40°С формирует камень с низкой прочностью.

Известен также облегченный тампонажный цемент [1] на основе тампонажного портландцемента и золы ТЭЦ мас.%: (60:40), (50:50). Недостатком данного цемента является повышенная для облегченных цементов плотность 1600-1650 кг/м³, также формирует камень с низкой прочностью при температурах ниже 40°С, и большая водоотдача тампонажного раствора из этого цемента.

Известна облегченная тампонажная смесь [3], включающая портландцемент в мас.% (90-98), вспученный вермикулитовый песок мас.% (1-5), алюмосиликатные микросферы - остальное. Недостатком этой тампонажной смеси является повышенная плотность раствора 1500-1640 кг/м³ и несовершенная технология приготовления. При таких малых количествах добавок по предлагаемой технологии трудно приготовить равномерно перемешанную смесь, что приведет к колебаниям плотности раствора от 1500 до 1750 кг/м³.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является облегченный тампонажный цемент, который получен из смеси, содержащей портландцемент, золу или трепел, или диатомит, или опоку. Указанный цемент готовят смешением его компонентов [4]. Недостатком этого цемента является низкая плотность раствора и низкая прочность получаемого цементного камня.

Целью настоящего изобретения является снижение плотности тампонажных растворов из облегченного цемента и повышение прочности получаемого из них камня.

Поставленная цель достигается следующим.

1. Облегченный тампонажный цемент, включающий смесь портландцемента, золы или трепела, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюмосиликатные микросферы диаметром не более 0,5 мм, а указанная смесь имеет удельную поверхность 9000-12000 см²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	70-85
зола или трепел	10-17
алюмосиликатные микросферы диаметром не более 0,5 мм	5-13

2. Способ получения облегченного тампонажного цемента путем смешения портландцемента, золы или трепела, отличающийся тем, что для получения облегченного тампонажного цемента по п.1 измельчают портландцемент с удельной поверхностью 2000-2200 см²/г с золой или трепелом в дезинтеграторе до удельной поверхности 9000-12000 см²/г при скорости соударения частиц 90-140 м/с и частоте ударов 4-5 за 10^-3 с и затем полученную смесь перемешивают с алюмосиликатными микросферами диаметром не более 0,5 мм в смесителях-шнеках или барабанах до равномерного состава.

Таким образом, в предлагаемом изобретении используется новый ингредиент и новая технология, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».

В научно-технической и патентной литературе ранее не приводились сведения об использовании комплексной технологии получения облегченных цементов, включающей дезинтеграторную обработку грубомолотого цемента с облегчающей добавкой, и последующее смешение полученного продукта с алюмосиликатными микросферами определенного размера. Применение дезинтеграторной обработки грубомолотого цемента совместно с облегчающими добавками невысокой прочности позволяет получить неизвестный ранее эффект дополнительного помола добавки за счет их дробления в результате соударения с относительно крупными частицами цемента. При смешении полученной смеси с алюмосиликатными микросферами в смесительных устройствах возникает опасность их разрушения, поэтому ограничение размера алюмосиликатных микросфер позволяет сохранить их целостность и обеспечит требуемый результат - понижение плотности цементного раствора.

Таким образом, сказанное выше указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

В предлагаемом изобретении использовались: зола ТЭЦ, имеющая в своем составе вес.%: SiO₂ 54-56; Al₂О₃ 26,7-28,7; F₂О₃ 4,6-6,6; CaO 3,6-5,6; MgO 1,4-3,4; SO₃ 2,5-3,0. Зола ТЭЦ представляет собой серый мелкозернистый порошок, частично содержащий алюмосиликатное стекло сферической формы и игольчатые кристаллы алюмосиликатов Al₂O₃*SiO₂ и муллита 3Al₂О₃*2SiO₂, сформированные внутри стеклянных сфер, что значительно увеличивает прочность микросфер. Плотность золы ТЭЦ равняется 2050-2200 кг/м³, удельная поверхность 2500-3000 см²/г, объемный вес в сухом виде 800-900 кг/м³.

Трепел представляет собой активную гидравлическую добавку осадочного происхождения - рыхлая горная порода, состоящая из микроскопических округлых зерен и содержащая кремнезем, главным образом в аморфном состоянии, имеющая в своем составе вес.%: SiO₂ - 70-79; Al₂О₃ - 5,0-7,5; F₂О₃ - 2-4; CaO - 4,5-4,8; MgO - 0,8-2; SO₃ - 0,1-2; ппп - 6-10, активность по ГОСТ CaO 270-320. Плотность 2300 кг/м³, удельная поверхность 20000 см²/г, объемный вес трепелов равен 850 кг/м³. При размешивании с водой образуется трепельное молоко или тесто.

Алюмосиликатные микросферы, имеющие в своем составе вес.%: SiO₂ - 55; Al₂О₃ - 25,5; F₂О₃ - 6; CaO - 1,7; MgO - 1,412; К₂О - 5,2; Na₂O - 1,07, представляет собой легкий сыпучий порошок из отдельных полых частиц сферической формы диаметром не более 0,5 мм, плотность которого составляет 300-350 кг/м³. Прочность оболочки на разрушение при гидравлическом давлении 35 МПа.

Пример реализации изобретения.

Состав готовят следующим образом: цемент грубого помола, золу ТЭЦ совместно или цемент грубого помола, трепел совместно измельчают в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 90-140 м/с при частоте ударов 10^-3 с до удельной поверхности 9000-12000 см²/г. Затем в полученную смесь (цементно-трепельную или цементно-зольную) вводятся микросферы диаметром не более 0,5 мм и перемешивается в щадящем режиме в барабане-смесителе или в шнеках в необходимых соотношениях.

В качестве примера рассмотрим технологию приготовления облегченного тампонажного цемента состав 8 табл.1.

Для приготовления облегченного цемента было взято 750 г цемента с удельной поверхностью 200 см²/г и 170 г золы. Смесь подвергли обработке в дезинтеграторе при скорости соударения частиц 140 м/с. Затем определили удельную поверхность полученной смеси, которая составила 12000 см²/г. Далее в смесь добавили 130 г алюмосиликатных микросфер, перемешали приготовленную смесь, получив облегченный цемент. Из данного облегченного цемента готовился раствор с водоцементным отношением 0,7, у которого определялись растекаемость, плотность, водоотделение и водоотдача. Из раствора готовились образцы для испытания на изгиб и сжатие. Испытания полученного облегченного цемента проводились согласно ГОСТ 1581-96. Сила сцепления цементного камня с металлом определялась по выдавливанию цементного камня из металлической гильзы. Результаты испытаний данной пробы приведены в табл.1.

В табл.1, 2 даны технологические параметры облегченного тампонажного цемента, полученного по предлагаемому способу. В этих же таблицах приведены результаты испытаний прототипов.

Таким образом, приведенный пример реализации изобретения показывает его соответствие критерию «практическая применимость». На буровой из данного облегченного тампонажного цемента по общепринятой технологии готовят тампонажный раствор.

Из таблиц видно, что разработанные по предлагаемому способу облегченные тампонажные цементы цемент-зола-микросферы и цемент-трепел-микросферы при температурах 20±2°С и 75°С имеют прочность на изгиб в пределах 2,6-3,3 МПа при температуре 20±2°С и 3,3-4,5 МПа при 75°С, что значительно превосходит предел прочности на изгиб облегченных тампонажных цементов по ГОСТ 1581-96.

Облегченный тампонажный цемент, полученный по предлагаемому способу, обеспечивает высоту подъема раствора до проектного уровня при наличии поглощающих пластов и пластов, склонных к гидроразрыву. Его применение дает хорошее качество цементирования глубоких нефтяных и газовых скважин. Раствор из этого цемента седиментационно-устойчив (водоотделение 0-0,1 мл), что предотвращает образование водяных поясов и каналов в заколонном пространстве. Раствор имеет низкую водоотдачу 17-25 см³/30 мин для состава цемент-трепел-микросферы и 30-50 см³/30 мин для состава цемент-зола-микросферы.

При плотности раствора 1300-1450 кг/м³ и указанной водоотдаче значительно уменьшается загрязнение продуктивных пластов фильтратом цементного раствора, значительно снижается стоимость работ за счет исключения химических реагентов, используемых для снижения водоотдачи и обеспечения стабильности цементного раствора.

Камень из облегченного цемента, полученного по предлагаемому способу, коррозионно-стоек в агрессивных пластовых флюидах. Испытания, проведенные в промышленном газопроводе (содержание сероводорода 2,7%) и в нефтяной скважине (содержание сероводорода 3,5%), показали, что коэффициент стойкости в обоих случаях составил 0,9-1,3, т.е. камень сохранил прочность без разрушения в течение времени испытания (2 года).

Сроки загустевания и схватывания тампонажного раствора легко регулируются известными и доступными замедлителями или ускорителями сроков схватывания.

Источники информации

1. Трусов С.Б. Легкие и облегченные тампонажные цементы, М., ВНИИОЭНГ, 1990. с.62.

2. RU 2123984 C1, 27.12.1998. SU 833691 A, 30.05.1981. SU 1715745 А1, 28.02.1992. US 5084103 A, 28.01.1992. US 4990199 A, 05.02.1991.

3. Вяхирев В.И. и др. Патент РФ 2187621, 20.08.202, бюл. изобр. №23.

4. Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. М., "Недра", 1987. с.102-119.

1. Облегченный тампонажный цемент, включающий смесь портландцемента, золы или трепела, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюмосиликатные микросферы диаметром не более 0,5 мм, а указанная смесь имеет удельную поверхность 9000-12000 см²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент	70-85
Зола или трепел	10-17
Алюмосиликатные микросферы диаметром не более 0,5 мм	5-13

2. Способ получения облегченного тампонажного цемента путем смешения портландцемента, золы или трепела, отличающийся тем, что для получения облегченного тампонажного цемента по п.1 измельчают портландцемент с удельной поверхностью 2000-2200 см²/г с золой или трепелом в дезинтеграторе до удельной поверхности 9000-12000 см²/г при скорости соударения частиц 90-140 м/с и частоте ударов 4-5 за 10^-3 с, а затем полученную смесь перемешивают с алюмосиликатными микросферами диаметром не более 0,5 мм в смесителях-шнеках или барабанах до равномерного состава.