JP3198643B2 - 逸水防止用セメント組成物 - Google Patents

逸水防止用セメント組成物

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  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浸透率の高い地盤に掘
削された坑井のセメンチングに使用する材料に関するも
のである。特に、石油採掘や地下に貯溜する熱水、水蒸
気の採取を目的とした油井や地熱井のセメンチングに使
用する材料である。さらに詳しくは、これら坑井の地層
中の亀裂、ヘアクラック等にセメントを逸流させること
なく、効率良く浸透・充填・閉塞・固化させることによ
って、地層の強化を図り、その後の掘削作業を円滑にす
るための材料を提供することにある。
【0002】
【従来の技術】従来、地層の大きな亀裂や砂地盤等の微
細な間隙を充填する方法として、セメントを充填・固化
する方法、逸泥防止材(クルミの殻、パーライト、綿実
等のLCM材料)で充填・閉塞する方法、粘土鉱物の膨
潤作用、ポリマーの発泡現象、または低比重化方法を利
用した閉塞等の方法がある。
【0003】このうち、セメント系では、パーライト又
はマイクロバルーンを添加して低比重化を図り坑底に加
わる圧力を軽減すると同時に、これら添加材料による物
理的閉塞効果を狙った方法が採られている。また、セメ
ントスラリーのチキソトロピック性(逸流抵抗性)を向
上させるための化学混和剤を添加する方法などがある。
しかし、いずれの場合も使用するセメントの粉末度はブ
レーン比表面積で、3000〜4500cm2/g程度
であって、セメントの粉末度に格別の配慮がなされてい
ないのが現状である。特に、低比重化材を添加する方法
では、低比重化材の粒径によって、浸透・閉塞可能な間
隙径が狭い範囲に限定され、逸水防止効果が十分でなか
った。すなわち、低比重化材の粒径が過大になると地層
の間隙への浸透が不可能となり、また逆に低比重化材の
粒径が小さ過ぎると地盤内へ逸流するため好ましくな
い。
【0004】すなわち、坑井の地盤中には大きさの異な
る種々の間隙が存在し、これら種々の間隙を満遍なく充
填閉塞して固化させる技術は、いまだ十分確立されてい
ないのが現状である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の解決課題は、
油井・地熱井の掘削時にしばしば遭遇する浸透性地層あ
るいは大きさの異なる種々の亀裂等にボーリング用泥水
やセメントスラリー等が逸流することを防止させること
にある。
【0006】特に、上記のような逸水層には、微細な隙
間から幅の広い亀裂に至るまでの広範囲の空隙が存在す
る。本発明は、このような種々の空隙、特に、種々の大
きさの亀裂の充填・閉塞さらには固化までの過程を効率
的に行うセメント系材料を提供することを狙いとしてい
る。
【0007】なお、油井や地熱井は、当然のことながら
深度が深くなると逸水層といえども温度は上昇し、さら
に泥水やセメントスラリーの柱圧によって坑底での圧力
は上昇する。したがって、本発明では、セメント系材料
に高温対策を施こすとともに、高圧下における障害を克
服(高圧下で構成粒子の破壊を起こさせない)すること
も二次的な課題である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、 (1)セメント及び高炉スラグ以外の低活性シリカ質粉
体からなる組成物であって、この組成物の粉末度がブレ
ーン値で5000〜13000cm2/g、組成物中の
低活性シリカ質粉体の含有量が10〜60重量%である
逸水防止用セメント組成物、 ()低活性シリカ質粉体が硬珪石粉砕物である上記
(1)に記載の逸水防止用セメント組成物、である。本
発明の好ましい態様は、 ()セメントが中庸熱型又は耐硫酸塩型である上記
(1)、(2)に記載の逸水防止用セメント組成物、 (4)上記(1)、(2)において、低活性シリカ質粉
体の含有量が25〜50重量%である逸水防止用セメン
ト組成物、 (5)セメント及び低活性シリカ質粉体とからなる組成
物が、セメントと低活性シリカ質物質を竪型ローラミル
で混合粉砕して得られるものである上記(1)、(2)
に記載の逸水防止用セメント組成物、および (6)上記(1)、(2)において、組成物の粉末度が
ブレーン値で6000〜10000cm2/gであり、
かつ30μm以上が5重量%以下である逸水防止用セメ
ント組成物、である。
【0009】微細な間隙にセメントを浸透させるために
は、その構成粒子が非常に細かいことが必要条件とな
り、このため粉末度はブレーン比表面積で5000〜1
3000cm2/g程度であることが望ましい。ブレー
ン値13000cm2/gよりも細かく粉砕しても、逸
水防止機能に期待するほどの効果はみられない。セメン
トを微粉砕することによる粉砕コストの高騰も考慮する
とブレーン値6000〜10000cm2/gの範囲が
望ましい。この場合、逸水防止用セメント組成物として
の構成粒子の最大粒径は小さくする方が好ましく、その
大部分は30μm以下であることが望ましい。
【0010】セメントは、普通、中庸熱、早強、低熱
(高C2S系)あるいは耐硫酸塩型(ASTM Type
VまたはAPIクラスG)のクリンカーとせっこうか
らなるものが使用できる。このうちでは、中庸熱あるい
は耐硫酸塩等の低C3A型のクリンカーを使用すること
が好ましい。
【0011】本発明の特に重要な必須要件の1つは、
炉スラグ以外の低活性シリカ質粉体の添加である。逸流
層に微細な間隙が多い場合には、セメントスラリー中の
構成粒子、すなわちセメント及び低活性シリカ質粉体は
分散剤の添加によって十分に分散されていなければなら
ない。この際、添加された低活性シリカ質粉体は、同時
に微粉砕されたセメント粉体中に均一に分布し、分散剤
を添加したスラリー中でのセメントの分散を助長する。
シリカ質粉体は少なくともポルトランドセメントよりも
低活性で硬度の高いものが望ましい。例えば、硬珪石、
珪石、シリカフーム等が使用でき、このうちでは硬珪
石が好ましい。逆に、白土、珪藻土等の天然ポゾランは
好ましくない。硬珪石はシリカ含有量が高く、地熱井な
どの高温条件下(水熱条件下)では、セメント水和物と
反応して熱的に安定なトバモライト、ゾノライトを生成
し、耐久性向上の面でも効果的である。
【0012】一方、大量逸水層に遭遇した場合、微粉粒
子からなる本発明の逸水防止用セメント組成物は、セメ
ントの極く初期の促進された水和反応により、粒子が凝
集する。凝集粒子は逸水層において架橋組織を形成し、
この構造が逐次増大すること(チキソトロピック性)
よって逸流を抑制させるとともに、効率良く空隙部分に
充填される。低活性シリカ質粉体はこの段階では安定な
ため、凝集組織にあって骨格の役目を果し、凝集組織の
安定化及びフレキシビリティを助長させるために不可欠
である。適度にシリカ質粉体がセメント粒子と凝集組織
を形成すると、その組織は安定し、かつ単位容当りの
重量は小さくなり、空隙部への充填効率も向上する。こ
のような効果を発揮させるための低活性シリカ質粉体
は、逸水防止セメント組成物の内割重量基準で10〜
60%、より好ましくは25〜50%が望ましい。な
お、このようにセメント粒子の凝集構造によって逸水層
の空隙を充填させる場合、界面活性剤は使用しない方が
得策である。また、充填後の地層との付着力を増大させ
るために、マグネシア系、カルシア系、カルシウムサル
ホアルミネート系、せっこう系等の膨張材を添加するこ
とも効果的である。
【0013】セメントと低活性シリカ質粉体は、別々に
微粉砕しても良いが、低活性シリカ質粉体の上記のよう
な効果を高めるためには、竪型ミルで混合粉砕(同時粉
砕)するのが望ましい。
【0014】
【作用】低活性シリカ質粉体は、逸水層でのセメント粒
子の充填・閉塞機能を著しく高める。すなわち、微細な
間隙が多く存在する逸流層では、セメント粒子のスラリ
ー中での分散を助長し、微細な空隙への浸透性を高める
作用をする。一方、幅の広い亀裂、節理等の多い大規模
逸水層においては、セメント粒子の凝集組織の形成なら
びにその凝集組織の強化(チキソトロピック性増大)
低活性シリカ質粉体が重要な役割を果す。その結果、セ
メント粒子径より非常に大きい凝集組織を形成し、大き
い空間を効率良く充填・閉塞・固化させることが可能と
なり、逸水層における泥水やセメントスラリーの逸流を
著しく低減させることができる。なお、逸水層の構造は
極めて複雑であるため、実際のセメンチングにおいては
セメント粒子を分散させることと、逆に凝集組織を形成
させることの作業を繰り返し行うことがより効果的であ
る。
【0015】
【実施例】実験に用いたポルトランドセメントクリンカ
ー、せっこう、低活性シリカ質粉体及びこれらの配合割
合及び混合物としての粉度を表1に示す。この場合、
特記したものを除き、ポルトランドセメントクリンカ
ー、せっこう及び低活性シリカ質粉体としての硬珪石
は、竪型ローラミルで混合粉砕したものである。
【0016】
【表1】
【0017】なお、この実験に使用したクリンカーの化
合物組成を表2に、硬珪石の化学組成を表3に示す。
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】実施例1〜、比較例1〜4 表1に示した試料を用い、高温条件下でのセメント・ス
ラリーの逸流抵抗性を試験した。試験装置はアメリカ石
油協会(API)Spec.10に規定のシックニング
タイムテスターを用い、あらかじめ所定粘度(11 A
Bc)になるように調製したセメントスラリーを試料容
器に入れたのち、加圧下(280kgf/cm2)で8
0℃まで30分間で加温した。その後、20分間試料容
器の回転を停止させたのち、直ちに回転を再間させ、回
転再開前後のスラリーの粘度上昇値を測定し、これを逸
流抵抗性の指標とした。スラリーの粘度上昇の大きいも
のほど外力に対して抵抗する力が大きく、流動しにくい
ものとなる。すなわち、チキソトロピック性が向上する
ことを意味する。この試験結果を表4に示す。
【0021】
【表4】
【0022】表からわかるように、逸水防止用セメント
組成物の粉末度(ブレーン値)が小さ過ぎると硬化し流
動性が損なわれるため好ましくない。また、ブレーン値
が14000cm2/g程度になると水セメント比が大
きくなり過ぎることもあって、凝集組織が脆弱になる。
硬珪石の最適含有量が概ね35重量%に存在することが
わかる。ポルトランドセメントクリンカーでは、耐硫酸
塩型及び中庸熱の方が普通型よりも好ましいことが理解
できる。
【0023】実施例10〜13、比較例5、6 表1に示した試料の一部について、水セメント比を20
0重量%一定とし、分散剤(ナフタリンスルフォン酸塩
高縮合物)をセメント組成物に対して2重量部添加して
スラリーを調製し、砂層への浸透性を測定した。砂層は
粒径0.3mm以下の天然砂を充填・締固めを行った
(φ5×10cm)。この砂層の透水係数の範囲は、
4.3×10-2〜4.7×10-2であった。測定は、ス
ラリー(3リットル)を2.5kgf/cm2条件下で
砂層上面に15分間圧送し、砂層底部より流出したスラ
リーの容積を測定した。結果を表5に示す。
【0024】
【表5】
【0026】実施例14〜19、比較例7〜9 表1に示した試料の一部について、スラリーを調製(ス
ラリー粘度11 ABc)し、200℃、210kgf
/cm2条件下で7日間養生を行い、硬化体の圧縮強度
を測定した。供試体寸法は、2インチ立方とし、養生は
アメリカ石油協会Spec.10に規定のキュアリング
チャンバーを使用した。結果を表6に示す。
【0027】
【表6】
【0028】地盤内の微細間隙や亀裂を充填・閉塞した
セメントは、固化するか、強度発現性が大きいと坑壁を
強固にし、その後の浚渫・掘進作業が円滑となる。低活
性シリカ質粉体が少な過ぎるか、また、多過になると、
強度発現性が悪く好ましくない。また、ブレーン値が1
4000cm2/g程度になると水セメント比が大きく
なり過ぎ、強度が小さくなるため、粉末度はブレーン値
5000〜11000cm2/g程度が好ましい。
【0029】
【発明の効果】本発明の、スラリーのチキソトロピック
性を利用する逸水防止用セメント組成物には、以下のよ
うな効果がある。 (1)使用材料の種類及び粉末度が限定された本発明の
逸水防止用セメント組成物は、微細な隙間から幅の広い
亀裂に至るまでの種々の空隙、特に、種々の大きさの亀
の充填・閉塞さらには固化までの過程を効率的に行
い、逸水を効率良く防止できる。 (2)この理由は、セメントの粉末度を細かくすること
による初期水和反応の促進及びその利用、低活性シリカ
質粉末によるスラリー中でのセメント粒子の凝集組織の
安定化効果によるものである。 (3)高温環境下での硬化特性にも優れているので、高
深度油井や高温地熱井にも使用できる。 (4)使用材料は、耐圧特性に侵れており、高圧下にお
ける劣化対策が不要である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 28/02 C04B 14/04 C04B 18/14

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セメント及び高炉スラグ以外の低活性シ
    リカ質粉体からなる組成物であって、この組成物の粉末
    度がブレーン値で5000〜13000cm2/g、組
    成物中の低活性シリカ質粉体の含有量が10〜60重量
    %である逸水防止用セメント組成物。
  2. 【請求項2】 請求項1において、低活性シリカ質粉体
    が硬珪石粉砕物であることを特徴とする逸水防止用セメ
    ント組成物
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