Расширяющийся тампонажный материал

,БО, 1134701 А а) Е 21 В 33/13 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 1 тьВИВВ . ИДЕТ ЕЛЬСТВУ К АВТОРСНО захского азведоч 5-20 6-12. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОткРытий(71) Актюбинское отделение Канаучно-исследоваТельского геологорного нефтяного института(54) (57) РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий портландцемент, хроматный шлам и компонент,содержащий СаО в активной форме, чающийся тем, что, с целью создания р мерного напряженного контакта в сис стенка скважины - цементный каменьная колонна за счет увеличения расши цементного камня в интервале темпе 22-140 С, он включает компонент, соде щий более 45% окиси кальция, при с ющем содержании компонентов, мас: чПортландцемент 100 Компонент, содержащийболее 45% СаОХроматный шлам отли- авнотеме: бсадения атур ржа- ледуИзобретение 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 МрО,Расширяющийся тампонажный материал содержит, вес. ч.:Пыль электрофильтровЦементосодержащийкомпонент, включающийСаО, обожженные доломитизированные отходыобогащения полиметал 15лических руд 15 - 20Компонент, содержащийМдО и в активной формефосфорный шлак Остальное 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 40 О/о Его получают в виде тонкодисперсного пороцка обжигом при 950-1050 С.Совместное присутствие окисей кальция и магния в активной форме позволяет получить расширение около 2%.Однако при цементировании глубоких нефтяных и газовых скважин (в условиях ЗО гидростатического давления) при доставке раствора в заколонное пространство в процессе 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 О 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 ние, обусловленное кристаллизационным давлением кристаллов высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция. Однако расширен;е, достигающее 5- 6/о, 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-цементньй 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 450/О окиси кальция, при следующем содержании компонентов, мас.ч.:Портландцемент 100Компонент, содержащийболее 45 О/О СаО 5-20Хроматный шлам 6-12 Введение в расширяющийся тампонажный материал в качестве расширяющейся добавки известьсодержащего компонента с содержанием СаО более 45 О/, 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 45 О/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 предот55 вращает образования микрокольцевого зазора.В предлагаемом расширяющемся тампонажном материале основное расширение и напряженный контакт в интервале 22- 75 С создаются за счет компонента, содержащего более 45% 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 МдО в активной форме.Расширение и напряженный контакт в интервале до 120 С создается за счет образования гидроокиси кальция, в интервале выше 120 С - за счет образования из активной формы окиси магния гидрата окиси магния.При 75 С и выше процесс гидратации компонента, содержащего СаО более 45% 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 г 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 45 О/о, например твердый остаток содового производства, и компонент, содержащий МрО 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, содержашего более 45% СаО, известняка Акжарского карьера Актюбинской области, обожженного при 1200 С в течение 2 ч. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В табл. 2 гриведены свойства расширяющегося тампонажного материала при использовании в качестве компонента, содержащего более 45/, СаО, глинистого известняка Каратауского карьера Актюбинской области, с содержанием частиц силикатных минералов до 25%, 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/о 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 4 О/о 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/о (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,:кацего окись магния в активной форме яснее бо/о 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/О 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 тампонажного материала больше, чем у прототипа, с 0 ответственно больше, чем у прототипа, и величина само- напряжения, что позволяет, как видно из табл. 4, получить равномерный контакт в интервале 22 - 140 С.34 О Таблица 1 Состав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч. ТемпеВеличина Сила сцепления Прочность на сжатие, кг/см влерасширения ратура,С е,а Компонент Пор тландвцемент дового про изводства) 5,0 6,0 8,0 0 22 65 30 94 100 140 22 75 140 8,2 24,1 19,3 0,5 9,0 7,2 14 9(твердыйостаток с Компонент, содержащий М 80 в активной форме (отходы производст ва хромовых солей) цеметногокамня собсаднойколонной,кг/см1134701 Прочность Сила сцепленияцементного Величина расширеТемпеДавлеСостав расширяющегося тампонажного материал.а, мас.ч. на сжатие,кг/см ратура, 0 С ние,ИПа Компонент Портландцемент камня собсаднойколонной,кг/см 2 производства хромовысолей) дового про изводства) 62,4 80141,0 7,18,820,5 12 100 53,4 81,6 76,0 12,8 17,7 14,3 100 33,357,242 19,6 16,3 22,2 20 100 Величина Сила сцепрасшире- ления Состав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч Давле ТемпеПрочностьна сжатие,кг/см ратура,оС ние,МПа цементного ния Компонент Портландцемент камня собсаднойколонной,кг/см дового про изводства) 100 50,0,154,0 92,0 1,3 6,6 4,6 129,2 13 22 75 140 10 13 4 24 7 11,5 18,3 12,3 20,4 36,0 87,0 98,0 10 22 75 140 20 100 с содержанием СаОболее 4521134701 1 О Таблица 4 ТемпеВеличиДавление,МПа Состав расширяющегося тампонажного материала, мас.ч.тие,Нем Компонент Портландцемент содового производства) 0,3 0,6 2,3 10,5 7,1 15,0,15 100 1,931,120,468 100 12 21 Прототип (портландцемент 100,шпак алюмотермического производства 10, гипс 10,хроматный шлам 6) 111,0135 10 60 50 120 2,0 6,0 0,2 1,2 Составитель Е. Тангалынев Редактор А. Ревнн Техред И. Верес Корректор О. Тигор Заказ 1005 /29 Тираж 590 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 410,112,36,211,252,75,2 9,0 5,7 4,3 0 0 3,2 Сила сцепления це- ментного камня собсадной колонной,кг/см 13,016,024,914, 7913,7926,0 16,0 19,5 18,051 6,2 19,22 9,12 8,537,128,2 36,0 67,0 107,0 38,8 24,0 35,0 67,0 83,0 95,0 81,5 88,0 140,0 41,0 58,2 69,0 81,1