Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин

Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин

тампонажные материалы. это такие материалы, которые при затворении водой образуют суспензии, способные затем превратиться в твердый непроницаемый камень.

в зависимости от вида вяжущего материала тампонажные материалы делятся на: 1) тампонажный цемент на основе портландцемента; 2) тампонажный цемент на основе доменных шлаков; 3) тампонажный цемент на основе известково-песчаных смесей; 4) прочие тампонажные цементы (белиловые и др.).

при цементировании скважин применяют только два первых вида — тампонажные цементы на основе портландцемента и доменных шлаков.

к цементным растворам предъявляют следующие основные требования:

¨ подвижность раствора должна быть такой, чтобы его можно было закачивать в скважину насосами, и она должна сохраняться от момента приготовления раствора (затворения) до окончания процесса продавливания;

¨ структурообразование раствора, т. е. загустевание и схватывание после продавливания его за обсадную колонну, должно проходить быстро;

¨ цементный раствор на стадиях загустевания и схватывания и сформировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, нефти и газа;

¨ цементный камень, образующийся из цементного раствора, должен быть коррозионно- и температуроустойчивым, а его контакты с колонной и стенками скважины не должны нарушаться под действием нагрузок и перепадов давления, возникающих в обсадной колонне при различных технологических операциях.

¨ в зависимости от добавок тампонажные цементы и их растворы подразделяют на песчаные, волокнистые, гельцементные, пуццолановые, сульфатостойкие, расширяющиеся, облегченные с низким показателем фильтрации, водоэмульсионные, нефте-цементные и др.

в настоящее время номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит:

* тампонажные портландцементы для «холодных» и «горячих» скважин («холодный» цемент — для скважин с температурой до 50 0 с, «горячий» — для температур до 100 0 с, плотность раствора 1,88 г/см 3 );

* облегченные цементы для получения растворов плотностью 1,4 — 1,6 г/см 3 на базе тампонажных портландцементов, а также на основе шлакопесчаной смеси (до температур 90 — 140 0 с), в качестве облегчающих добавок используют глино-порошки или молотые пемзу, трепел, опоку и др.;

* утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15 г/см 3 на базе тампонажных портландцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам, а также шлакопесчаной смеси для температур 90 — 140 0 с (в качестве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит и др.);

* термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с температурой 90 — 140 и 140 — 180 0 с;

* низкогигроскопические тампонажные цементы, предназначенные для длительного хранения.

регулируют свойства цементных растворов изменением водоцементного отношения (в:ц), а также добавлением различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих сроки схватывания и твердения, снижающих вязкость и показатель фильтрации.

в практике бурения в большинстве случаев применяют цементный раствор с в:ц = 0,4 — 0,5. нижний предел в:ц ограничивается текучестью цементного раствора, верхний предел — снижением прочности цементного камня и удлинением срока схватывания.

к ускорителям относятся хлористые кальций, калий и натрий; жидкое стекло (силикаты натрия и калия); кальцинированная сода; хлористый алюминий. эти реагенты обеспечивают схватывание цементного раствора при отрицательных температурах и ускоряют схватывание при низких температурах (до 40 °с).

замедляют схватывание цементного раствора также химические реагенты, такие как гидролизованный полиакрилонитрил, карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид, сульфит-спиртовая барда, конденсированная сульфит-спиртовая барда, нитролигнин. перечисленные реагенты оказывают комбинированное действие. все они понижают фильтрацию и одновременно могут увеличивать или уменьшать подвижность цементного раствора.

для приготовления цементного раствора химические реагенты растворяют предварительно в жидкости затворения (вода). утяжеляющие, облегчающие и повышающие температуростойкость добавки смешивают с вяжущим веществом в процессе производства (специальные цементы) или перед применением в условиях бурового предприятия (сухие цементные смеси).

К оборудованию, необходимому для цементирования скважин, относятся: цементировочные агрегаты, цементно-смесительные машины, цементировочная головка, заливочные пробки и другое мелкое оборудование (краны высокого давления, устройства для распределения раствора, гибкие металлические шланги и т. п.).

цементировочные агрегаты. при помощи цементировочного агрегата производят затворение цемента (если не используется цементно-смесительная машина), закачивают цементный раствор в скважину, продавливают цементный раствор в затрубное пространство. кроме того, цементировочные агрегаты используются и для других работ (установка цементных мостов, нефтяных ванн, испытание колонн на герметичность и др.).

с учетом характера работ цементировочные агрегаты изготовляют передвижными с монтажом всего необходимого оборудования на грузовой автомашине. на открытой платформе автомашины смонтированы: поршневой насос высокого давления для прокачки цементного раствора; замерные баки, при помощи которых определяют количество жидкости, закачиваемой в колонну для продавки цементного раствора; двигатель для привода насоса.

для цементирования обсадных колонн в основном применяют цементировочные агрегаты следующих типов: ца-320м, зца-.400, зца-400а и др. (ца — цементировочный агрегат, цифры 320 и 400 соответственно 32 и 40 мпа — максимальное давление, развиваемое насосами этих цементировочных агрегатов).

для централизованной обвязки цементировочных агрегатов с устьем скважины применяют блок манифольдов. он состоит из коллектора высокого давления для соединения ца с устьем скважины и коллектора низкого давления для распределения воды и продавочной жидкости, подаваемой к ца. блок манифольдов, как правило, оборудован грузоподъемным устройством.

цементно-смесительные машины. цементирование осуществляется при помощи цементно-смесительных машин. применяются различные типы цементно-смесительных машин: см-10, 2смн-20, спм-20 др. в данном случае цифры 10, 20 и т. п. обозначают количество цемента (в т), которое возможно поместить, в бункер смесительной машины.

цементировочные головки предназначены для промывки скважины и проведения цементирования. спущенная обсадная колонна оборудуется специальной цементировочной головкой, к которой присоединяются нагнетательные трубопроводы (манифольды) от цементировочных агрегатов.

в настоящее время применяются цементировочные головки цгз, гцк, гц5-150, снпу, 2гуц-400 и др. так как в конструктивном отношении все перечисленные головки имеют сходство, то рассмотрим в качестве примера одну из них.

при двухступенчатом цементировании используются специальные цементировочные пробки.

Дата добавления: 2016-06-18 ; просмотров: 5613 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Базовые тампонажные материалы и тампонажные смеси

Наиболее широко в качестве тампонажных материалов применяют некоторые виды цементов, а также специальные смеси, приготовляемые на их основе в заводских условиях либо непосредственно на буровых предприятиях. Хотя цементы неполностью удовлетворяют названным выше требованиям к тампонажным материалам, пока нет других материалов, которые, удовлетворяя этим требованиям, были бы конкурентоспособны с цементами по доступности и сравнительно малой стоимости. Базовыми цементами, которые могут быть использованы как в чистом виде, так и для приготовления тампонажных смесей, являются портландские, шлаковые, белитовые, глиноземистые и некоторые другие.

Портландцементы. Это порошкообразное вяжущее вещество, получаемое путем обжига до спекания и последующего тонкого измельчения смеси карбонатных и глинистых пород, подобранных с таким расчетом, чтобы в исходном сырье содержалось CaO от 60 до 75%, Al2O3 — от 3 до 8%, SiO2 — от 15 до 25% и Fe2O3 — от 2 до 6%. В качестве базовых для разобщения пластов и других изоляционных работ в скважинах используют две разновидности тампонажных портландцементов, выпускаемых в соответствии с ГОСТ 1581—78: а) для «холодных» скважин; б) для „горячих скважин”. В цементе допускается содержание активных минеральных добавок, удовлетворяющих ОСТ 21-9—74, либо инертных добавок в виде кварцевого песка или кристаллического известняка, либо гранулированного доменного или термофосфорного шлака.

В чистом виде портландцементы можно использовать в скважинах с температурой не свыше 100°С; дальнейшее увеличение температуры весьма неблагоприятно сказывается на изоляционных свойствах камня.

Цементы на основе молотых гранулированных шлаков. Шлаками называют камневидные отходы металлургических процессов, образующиеся от сплавления разнородных окислов. В состав доменных шлаков входят окислы кальция, кремния, алюминия, железа, магния, а также марганца и других элементов. По сравнению с портландцементом, в доменных шлаках меньше окиси кальция, но больше кремнезема. Основным компонентом шлака, обладающим вяжущими свойствами при обычной температуре, является белит. При невысоких температурах тесто из шлакового цемента схватывается очень медленно. С повышением температуры активность цемента возрастает.

Вяжущие свойства шлаковых цементов существенно зависят не только от состава цемента, но также от сорта металла, при выплавке которого образуется шлак, от технологического режима металлургической печи, температуры расплавленного шлака, температуры и способа грануляции и других факторов. Так как эти факторы не сохраняются неизменными даже для одной и той же печи, то качество шлаковых цементов оказывается весьма нестабильным.

В чистом виде шлаковые цементы в качестве тампонажного материала используются сравнительно редко. Наиболее широко применяются цементы, приготовляемые путем совместного помола гранулированных доменных шлаков с кварцевым песком (шлакопесчаные цементы) либо с портландцементным клинкером (шлакопортландцементы). Так, для цементирования скважин с температурой от 160 до 220°С выпускается цемент ШПЦС-200, получаемый путем совместного помола доменного шлака и кварцевого песка, а для скважин с температурой от 80 до 160°С — цемент ШПЦС-120, который получают путем совместного помола доменного шлака, кварцевого песка и небольшого количества портландцементного клинкера. Последний играет роль активатора, способствующего ускорению схватывания цементного теста.

Перспективными для применения в скважинах с высокими температурами являются силикатно-гидрогранатные цементы, получаемые путем совместного помола гранулированного доменного шлака, пиритных огарков и негашеной извести. Камень из таких цементов имеет высокую прочность при температурах до 200°С и выше, коррозионноустойчив в агрессивных пластовых водах, в том числе содержащих сульфаты магния и натрия.

Белито-кремнеземистый цемент. Получают путем совместного помола нефелинового шлама, являющегося отходом производства глинозема, и кварцевого песка в соотношении (70—50) : (30—50) % в порошок с удельной поверхностью 200— 300 м2/кг. При помоле добавляют 1—2% бентонита для придания большей седиментационной стабильности цементному тесту. Вяжущую основу цемента составляет белит. Белито-кремнеземистый цемент можно использовать в чистом виде и в качестве базового для приготовления тампонажных смесей для скважин с температурой от 150 до 300°С.

Глиноземистые цементы. Глиноземистый цемент получают путем обжига до спекания и последующего помола смеси боксита и карбоната кальция. При совместном помоле после спекания той же смеси и двуводного гипса в соотношении примерно 3:1 получают гипсоглиноземистый цемент. Основным, минералом, обеспечивающим вяжущие свойства этих цементов, является однокальциевый алюминат CaO*Al2O3, содержание которого может достигать 50%.

Эти цементы могут быть использованы для скважин с температурой не выше 25°С. Их особенности: быстрое схватывание и твердение при низких температурах и высокая коррозионная стойкость в некоторых типах агрессивных пластовых вод.

Портландцементные смеси для высоких температур. Тампонажные портландцементы имеют два существенных недостатка: а) с повышением температуры свыше примерно 60°С максимальная прочность цементного камня во времени уменьшается, а проницаемость возрастает; б) коррозионная стойкость при контакте с агрессивными пластовыми водами невысока. Эти недостатки в значительной мере можно устранить добавлением к клинкеру при помоле или непосредственно к портландцементу 30—50% (от массы цемента) кварцевого песка или доменного шлака.

Такие модифицированные портландцементные смеси используют при температурах примерно до 160°С.

Облегченные цементные смеси. Плотность растворов, получаемых из базовых цементов, можно изменять в диапазоне от 1800 до 2000 кг/м3. Облегченные цементные смеси предназначены для приготовления тампонажных растворов с существенно меньшей плотностью. Существуют несколько способов получения облегченных цементных смесей:

а) добавление к клинкеру (шлаку) при помоле или непосредственно к базовому цементу минеральных веществ, способных связывать большое количество воды;

б) добавление к базовому цементу мелких фракций твердых веществ с малой плотностью (нефтяного кокса, гильсонита, асфальтов, битумов и т. п.);

в) добавление к базовому цементу мелких гранул с замкнутыми порами, заполненными газом (вспученного перлита, пламилона, кварцевых микробаллонов и т. п.);

г) синтез специальных вяжущих.

Наиболее широко сейчас используют первый способ. В качестве минеральных добавок к клинкеру (шлаку) или базовому цементу употребляют глины (бентонит, палыгорскит, гидрослюды и др.), кремнеземистые материалы (диатомит, трепел, опоки, силикагель), материалы вулканического происхождения (пемза, вулканические пеплы, туфы), карбонатные материалы (известняк, мел). Эти материалы имеют небольшую прочность и легко размалываются в порошок с высокой удельной поверхностью (до 1000 м2/кг и более). Наибольшую удельную поверхность и наибольшую способность связывать воду имеют глинистые, затем кремнеземистые добавки.

Смеси портландцемента с глинистыми материалами, часто именуемые гельцементами, используют в основном в скважинах с температурой до 80°С; смеси же из шлакового цемента с палыгорскитовой глиной можно применять при температурах примерно от 60 до 250°С.

Смеси портландцемента с кремнеземистыми добавками рекомендуется использовать в температурном диапазоне от 50 до 160°С, а белито-кремнеземистого цемента — от 100 до 300°С. В указанных температурных диапазонах конечная прочность камня из смесей с кремнеземистыми добавками выше, нежели из смесей с глинистыми добавками при прочих равных условиях.

Общим недостатком облегченных смесей является то, что с уменьшением плотности тампонажного раствора снижается также прочность образующегося из него камня и возрастает проницаемость.

Гранулы с замкнутыми порами, заполненными газом, могут частично разрушаться под влиянием высокого давления среды, при этом эффект снижения плотности тампонажного раствора в значительной степени утрачивается. Например, плотность цементного раствора с добавкой 15% вспученного перлита возрастает с 1250 кг/м3 при атмосферном давлении до максимального значения 1450 кг/м3 при давлении 7 МПа; плотность раствора, содержащего 8% пламилона от массы цемента, увеличивается с 1200 кг/м3 при атмосферном давлении до 1450 кг/м3 и более при давлении 60 МПа.

Утяжеленные цементные смеси. Утяжеленные смеси готовят путем совместного помола портландцементного клинкера или гранулированного доменного шлака с минеральными добавками высокой плотности (4000 кг/м3 и более). В качестве таких добавок используют в основном барит, железные и иногда свинцовые руды.

Волокнистые цементы. Эти смеси получают путем добавления к базовому цементу асбестовых отходов, имеющих волокна длиной 2—4 мм. Такие смеси применяют при цементировании скважин в трещиноватых породах.

Коррозионностойкие цементы. Камень из портландцемента при контакте с пластовыми водами может разрушаться в результате выщелачивания наиболее растворимых компонентов его, например, гидроокиси кальция (коррозия выщелачивания), вследствие химического преобразования состава под действием ионов магния (магнезиальная коррозия), сульфат-ионов (сульфатная коррозия) и сульфидов (сульфидная коррозия), в результате катионного обмена. Коррозионностойкими называют те цементы или смеси, камень из которых отличается высокой устойчивостью против всех или хотя бы некоторых видов коррозии. Так, весьма коррозионностойкими являются глиноземистые цементы. Высокой устойчивостью против коррозии выщелачивания обладают те цементы и смеси, в камне из которых практически не содержится гидроокись кальция. Коррозионностойкими при контакте с пластовыми водами, насыщенными хлоридами магния, кальция и натрия, и с горными породами, содержащими эти компоненты, являются шлаковые и шлакопесчаные цементы. К стойким против сульфатной коррозии относятся пуццолановые портландцементы с содержанием С3А в клинкере не более 8% и отношением Al2O3:Fe2O3<0,7, в частности, смеси портландцемента с кремнеземистыми добавками типа опоки, трепела, а также шлакопортландцементы. В условиях сульфатно-сульфидной агрессии наиболее стойкими оказываются шлакопесчаные цементы, глиноземистые цементы и их смеси с портландскими цементами.

Расширяющиеся смеси. Такие смеси используют для приготовления тампонажных растворов, объем которых при твердении увеличивается. Условно расширяющиеся смеси можно разделить на две группы. Первую составляют цементы и смеси, при использовании которых процесс расширения происходит в основном после того как цементный камень сформировался, приобрел достаточно большую прочность и в значительной мере утратил пластичность. К таким материалам относятся гипсоглиноземистый цемент и смеси тампонажного портландцемента с 10—20% гипсоглиноземистого либо 5—10% магнезита или доломита, обожженных при температуре 700—900°С. Величина расширения тампонажного камня в твердом состоянии не должна превышать, по-видимому, 1—1,5%; при большем расширении возможно растрескивание и разрушение камня.

Вторую группу составляют смеси, расширение раствора из которых заканчивается к концу схватывания его, т. е. происходит в период, когда кристаллизационная структура формирующегося цементного камня не приобрела еще значительной прочности и обладает большой пластичностью. Здесь допустима гораздо большая величина расширения. В качестве расширяющих добавок могут быть использованы окиси кальция и магния, полученные обжигом сырья при определенном температурном режиме. Так, в качестве добавки к тампонажным портландцемен-там, используемым при температуре до 100°С, успешно применена негашеная известь CaO, полученная обжигом карбоната кальция при температуре 1200°С; при температуре в скважине до 180°С добавкой к базовым цементам и цементно-песчаным смесям может служить окись магния, полученная обжигом хроматного шлама при температуре 1200—1300°С, а при более высоких температурах в скважинах — окись магния, полученная обжигом при температуре 1600°С.

Низкогигроскопичные цементы. Цементы имеют большую удельную поверхность и весьма гигроскопичны. Поглощая из атмосферы влагу и углекислоту, они сравнительно быстро теряют активность и слеживаются, комкуются; свойства растворов и камня при этом существенно ухудшаются. Одним из способов сохранения длительной активности и предотвращения слеживаемости цементов является введение при помоле клинкера (шлака) специальных добавок, которые придают поверхности порошка гидрофобность либо уменьшают ее гигроскопичность. Гидрофобизированные цементы нежелательны для целей бурения, так как они плохо смачиваются водой, а приготовленные из них растворы вспениваются и недостаточно седиментационно устойчивы. Для цементирования скважин используют низкогигроскопичные цементы, обработанные триэтаноламином. Такие цементы меньше слеживаются и сохраняют активность в течение более продолжительного времени.

Где используется цемент

В качестве вяжущего при изготовлении бетона, штукатурки чаще всего выступает цемент. Он связывает между собой остальные компоненты смеси и обеспечивает прочность при застывании.

Описание и свойства материала

Цемент – гидравлическое вяжущее вещество неорганического происхождения. Под действием воды, водных растворов и других жидкостей он сначала превращается в пластичную массу, а затем в камневидное тело. В отличие от других вяжущих – гипса, извести – материал твердеет во влажных условиях и не только на воздухе.

Преимущества гидравлического вяжущего обнаружили еще в Древнем Риме. Однако только в средние века заметили, что обжиг известняка, загрязненного глиной, приводит к образованию строительного камня, который по прочности не уступает римским пуццолановым смесям. Так были выделены главные компоненты материала.

Цемент – мелкодисперсный порошок серого цвета, может иметь зеленоватый или желтоватый оттенок. Тонкость помола влияет на стоимость: чем тоньше порошок, тем дороже, так как быстрее схватывается. На рынке материал предлагают в бумажных и полиэтиленовых мешках разного объема.

Состав и производство

Главные составляющие – известняк и глина. Добывают их из горных пород. Карбонатные ингредиенты получают из мела, известняка, доломита. Глинистые – из глинистых сланцев, суглинка, монтмориллонита. В зависимости от назначения и типа цемента потребуются и дополнительные компоненты: железо, кремний, глинозем.

Состав цемента не точен. Доля компонентов варьируется в определенном диапазоне, чтобы получить необходимые свойства на базе имеющихся материалов.

Получают материал по 3 основным технологиям.

• Мокрый – таким методом производят цемент из мела, глины и добавок, содержащих железо. Берут материалы с высокой влажностью: 20 процентов у глины, 20 процентов у мела. Сырье перемалывают в водной среде и получают шихту с влажностью от 30 до 50%. Материал обжигают в печи. В результате получают цементный клинкер. Его растирают в порошок с добавками, определяющими некоторые свойства смеси.
• Сухой – сырьевая шихта сухая, потому что все составляющие во время или до помола высушиваются. Метод рекомендуется, если влажность исходного сырья не превышает 10%.
• Комбинированный – предполагает 2 способа. Замес представляет собой шлам, перемешанный с водой. Его обезвоживают на фильтрах до 16–18% и обжигают. Другой вариант: сырье высушивают и перемалывают, а затем шихта гранулируется с добавкой 10–14% воды. Гранулы обжигают и измельчают.

Расход тепла при мокром способе значительно выше, поэтому в последнее время предпочтение отдается сухим способам.

Где используется тампонажный цемент

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 [1, 2, 3], получаемый совместным помолом портландцемента с облегчающими добавками. При данном способе получения цемента облегчающие добавки требуют предварительной сушки. Кроме того, происходит двойное измельчение портландцемента, повышающее энергозатраты при получении цемента. Кроме того, сроки их хранения не превышают 3 месяцев.

Известна тампонажная композиция и способ ее получения [4]. Способ получения заключается в том, что облегчающую добавку, в качестве которой используется резиновая крошка, предварительно замачивают в жидком стекле, затем смешивают с цементом с последующей выдержкой в течение 3-24 часов при 80-90°С и полученный продукт измельчают в дезинтеграторе до крупности портландцемента.

Данный способ требует дополнительного оборудования и длительного времени (до 24 часов) для выдерживания указанной массы при температуре 80-90°С, что приводит к удорожанию стоимости цемента.

Известен способ приготовления дисперсно-армированного тампонажного материала [5], отличающийся тем, что с целью повышения прочности, ударной стойкости камня смешение ингредиентов портландцемента, лигносульфоната и асбеста производят при одновременном измельчении их в шаровой мельнице в течение 25-45 мин. Недостатком этого способа является необходимость предварительной сушки асбеста и повторный помол портландцемента.

Известен способ получения тампонажных цементов [6, 7]. По этому способу совместный помол охлажденного клинкера (с влажностью 1,0-1,5%), воздушно-сухого гипса (с влажностью не более 10-12%) и добавок не более 5-7% (с влажностью 6-10%) до 10% и шлака (с влажностью 12-15%) до удельной поверхности 280-300 кв.м/кг. Недостатком способа является дополнительная сушка материалов перед помолом.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является облегченный тампонажный цемент, включающий, мас.%: природный двуводный гипс 3-8%, облегчающую добавку — трепел, диатомит, опоку 5-20, цементный клинкер — остальное. Цемент получают совместным помолом указанных компонентов до остатка на сите 008 5-10% [8].

Недостатком способа является дополнительная сушка материалов перед помолом, увеличение выброса твердой пыли в атмосферу, недостаточно низкая плотность раствора и низкая прочность получаемого цементного камня, а также и низкий срок хранения цемента.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что облегченный тампонажный цемент, включающий клинкер, природный гипс двуводный, облегчающую добавку, отличается тем, что он содержит в качестве облегчающей добавки трепел или диатомит, или глиеж и дополнительно силикагель, имеет удельную поверхность 700-900 кв.м/кг и гранулометрический состав, характеризующийся остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и прошедших через сито 0,08 — остальное, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: клинкер 55,0-63,0; гипс 5,5; облегчающая добавка 30,0-38,0; силикагель 1,0-1,5.

Способ получения облегченного тампонажного цемента по пункту 1, включающий совместный помол клинкера с температурой 300-350°С, двуводного гипса с влажностью 10-12%, облегчающие добавки с влажностью 15-18% и силикагеля до удельной поверхности 700-900 кв.м/кг и гранулометрического состава, характеризующегося остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1% и проходом через сито 0,08 — остальное.

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 в качестве облегчающей добавки силикагель, и помол ингредиентов с горячим клинкером. Применение силикагеля обеспечивает повышение сроков хранения цемента за счет снижения естественной влажности цемента и уменьшения его комкования.

Использование при помоле цемента горячего клинкера позволяет получить неизвестный ранее эффект выгорания органических остатков, содержащихся в добавках. Это приводит к увеличению активного аморфного кремнезема, что в свою очередь способствует сокращению времени структурообразования и повышению прочности камня в ранние сроки твердения. Кроме того, наблюдается высушивание облегчающих добавок в процессе помола и, как следствие, повышение удельной поверхности получаемого цемента, что обеспечит требуемый результат — понижение плотности цементного раствора при сохранении высокой прочности получаемого камня.

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

В предлагаемом изобретении использовались:

Клинкер Стерлитамакского ОАО «Сода»;

Трепел Брянского месторождения;

Диатомит Инзенского месторождения;

Глиеж (глина естественная жженая) Кумертауского угольного разреза;

Пример реализации изобретения.

Клинкер с температурой 300-350°С подается в шаровую мельницу, в которую через дозаторы в необходимых количествах подаются ингредиенты: облегчающие добавки с влажностью по мас.% 15-18, двуводный гипс с влажностью 10-12% и силикагель. В шаровой мельнице происходит измельчение компонентов до удельной поверхности 700-900 кв.м/кг и получение цемента с заданным гранулометрическим составом.

В качестве примера рассмотрим технологию приготовления облегченного тампонажного цемента, состав 2 таблицы.

Для приготовления облегченного цемента было взято 5500 г цементного клинкера с температурой 330°С, 550 г природного двуводного гипса с влажностью 12%, 3800 г трепела с влажностью 17% и 150 г силикагеля. Смесь размалывалась в лабораторной шаровой мельнице со специально подобранными размерами шаров до удельной поверхности 850 кв.м/кг. При этом гранулометрический состав смеси характеризовался остатком на ситах: 0,315-0,1%; 0,25-0,1%; 0,16-0,2%; 0,1-1,5%; 0,08-2,1%, проход через сито 0,08 — 96%.

Из полученного облегченного цемента готовился раствор с водоцементным отношением 0,9, у которого определялись растекаемость, плотность. Из раствора готовились образцы для испытания на изгиб и сжатие. Испытания полученного облегченного цемента проводились согласно ГОСТ 1581-96. Результаты испытаний данной пробы приведены в таблице.

В этой же таблице даны технологические параметры облегченного тампонажного цемента, полученного по предлагаемому способу с другими облегчающими добавками. В этой же таблице 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 таблицы видно, что цементы, полученные по предлагаемому способу, имеют достаточную прочность уже в первые сутки твердения, а на вторые сутки прочность камня увеличивается до 1,1 МПа, против 0,4 МПа у прототипа. Сроки структурообразования сокращаются до 2 ч 15 мин, против 6-7 часов у прототипа. Сроки сохранности технологических свойств увеличиваются до 6 месяцев. Технологические параметры облегченного цемента удовлетворяют требованиям ГОСТ 1581-96.

Применения клинкера с температурой 300-350°С приводит к экономии энергозатрат, т.е. экономия тепла составляет 1100-1240 ккал/кг влаги.

1. Каримов Н.Х. Хахаев Б.Н., Запорожец Л.С., Липсон Т.А., Губкин Н.А., Рахматуллин Т.С. Тампонажные смеси с аномальными пластовыми давлениями. М.: Недра, 1977, 190 с.

2. Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов. М.: Недра, 1979, 281 с.

3. Луценко Н.А., Образцов О.Н. Тампонажные растворы пониженной плотности. — М.: Недра, 1972, 141 с.

4. Данюшевский B.C., Каримов Н.Х. Тампонажная композиция и способ ее получения. Авторское свидетельство №637355, С 04 В 7/38, 15.12.1978, бюл. №46.

5. Мариампольский Н.А., Дзежаев В.Г. и др. Авторское свидетельство №423725, 4 Е 21 В 33/138. Способ приготовления армированного тампонажного материала, 15.09.1988, бюл. №34.

6. Бутт Ю.М., Окороков С.Д., Сычев М.М., Тимашев В.В. Технология вяжущих веществ. М.: Высшая школа, 1995, 619 с.

Облегченные тампонажные цементы и растворы (типы, получение, область применения).

Тампонажные растворы представляют собой многокомпонент­ные системы, плотность (объемная масса) которых зависит от плотности входящих в них компонентов и объемного (или мас­сового) их соотношения. Уменьшить плотность тампонажного раствора можно увеличением содержания жидкости затворе­ния по отношению к твердым фазам, если жидкость затворения имеет меньшую плотность, или путем замены:

части или всей жидкости затворения жидкостью меньшей плотности;

всего или части вяжущего вещества вяжущим веществом меньшей плотности;

всей или части добавки добавкой меньшей плотности;

части вяжущего вещества специальной добавкой, обладаю­щей меньшей по сравнению с ним плотностью;

части объема твердых и (или) жидких фаз газообразной фазой.

Выбор того или иного способа снижения плотности опреде­ляется условиями применения, технологическими возможно­стями, экономической целесообразностью. При использовании тампонажных материалов на основе минеральных вяжущих ве­ществ возможности регулирования плотности выбором их вида ограничены, если ориентироваться только на величину их плотности.

Таким образом, для снижения плотности:

до 1650–1700 кг/м 3 можно использовать все известные спо­собы(на основе портландцемента, путем добавления органического происхождения);

до 1400–1500 кг/м 3 можно применять облегчающие добавки плотностью менее 2000 кг/м 3 , повышать водосодержание, а на небольших глубинах также использовать аэрирование тампо­нажного раствора;

ниже 1400 кг/м 3 желательно использовать полые или газо­наполненные микробаллоны.

Повышение водосодержания обычной портландцементной суспензии неизбежно связано с ухудшением ее седиментационной устойчивости. При В/Ц>0,55 проявляется заметное водоотделение, которое при В/Ц=0,6 достигает недопустимых зна­чений. Скорость фильтрации жидкости через суспензию можно уменьшить, повысив вязкость жидкости и степень дисперсности твердой фазы. Оба приема используются при приготовлении облегченных тампонажных растворов с высоким водосодержанием.

Значительно чаще тонкодисперсные добавки, физически свя­зывающие дополнительно введенное для снижения плотности раствора количество воды, используются в виде тонкодисперс­ных порошков – смешиваются с базовым тампонажным мате­риалом или с водой затворения. Эти добавки главным образом препятствуют седиментационному и фильтрационному (под действием перепада давления) водоотделению. Однако надо выбирать такие тонкодисперсные порошки, которые имеют соб­ственную плотность меньше плотности базового тампонажного материала. При этом достигается дополнительное снижение плотности тампонажного раствора.

Наиболее широко из числа таких облегчающих добавок применяются глины, тонкодисперсные кремнеземистые мате­риалы природного (осадочные породы – опоки, трепелы, диа­томиты) и искусственного (силикагели) происхождения, реже применяется мел.

Гельцементные растворы (состав, свойства и получение).

Гельцементными называются растворы, содержащие в качестве облегчающей добавки высококоллоидальные, главным образом монтмориллонитовые (бентонитовые), глины. Эти глины имеют плотность 2300–2600 кг/м 3 и вводятся обычно в количестве до 20 % от массы твердой фазы. Поэтому снижение плотности за счет введения менее плотного компонента твердой фазы неве­лико и достигается в основном за счет значительного увеличе­ния водосодержания гельцементных растворов по сравнению с обычными. Хорошо диспергированный бентонит образует в цементном растворе самостоятельную коагуляционную структуру, в которой взвешены частицы цемента. Впослед­ствии эта структура разрушается в результате коагулирующего действия иона кальция и заменяется структурой твердеющего цементного камня. При водосодержании гельцементных растворов, обеспечива­ющем консистенцию раствора, равную обычному тампонажному портландцементному при B/Ц=0,4-0,5, начальная скорость водоотдачи оказывается в несколько раз ниже. Добавка бенто­нита в значительно большей степени повышает сопротивление фильтрации, чем эффективную вязкость, что может быть объ­яснено ярко выраженной тиксотропией коагуляционных струк­тур монтмориллонита. Проч­ность цементного камня снижается, а водопроницаемость его возрастает, но незначительно, по сравнению с изменением за счет повышения водосодержания. Способ введения бентонита существенно не влияет на прочность и водопроницаемость це­ментного камня. Недостатком гельцементных растворов пониженной плотно­сти является низкая температурная и коррозионная устойчи­вость цементного камня. Резкое снижение прочности при повы­шенной температуре твердения начинается раньше и происхо­дит быстрее, чем у растворов из обычного цемента. Значи­тельно быстрее разрушается цементный камень из гельцемента под действием агрессивной солевой среды, особенно в присут­ствии ионов Mg 2+ . Лучшей по сравнению с бентонитовыми термо- и солестойкостью обладают цементные растворы, в которых облегчающей добавкой служит палыгорскит (аттапульгит).