JPS5815049A - 坑井用セメント組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温条件下での使用に適し九セメント組成−
に関するものである。更に詳しくは。

本発明は高温条件下Ｏ油井あるいは地熱井などの坑井Ｏ
１１削のＩＩＫ坑井内に挿入し九ケーシンダパイプ（鋼
管）の補強を主目的として坑井内Ｏ鋼管の周囲に注入し
、硬化させるために％に適したセメント組成物Ｋ１１ｌ
するものである。

油井や地熱井の１ｌｓＩＫ際しては、掘削により形成し
九油井等の崩壊を防ぐ九めに長尺の鋼管（ケーシングパ
イグと称する）が挿入されるが゛。

その鋼管の周８には、鋼管の国定、補強などの目的でセ
メントが充填される。このセメントの充填方法としては
、一般には、スラリー状セメントの所定量を地表面−口
部よ〉鋼管内側に圧遇し９次いで螢押し用泥゛水を後か
ら注入してスラリー状セメントが鋼管の下端部を通って
鋼管の周ＩＮ（外側）Ｋ移行するように操作し、最後に
、鋼管Ｏ周囲に移行したセメントが硬化するまで静置す
為との工程からなる方法が利用されている。

上記のよう１に＠的で使用されるセメントに要求される
物性は９ｍ然ながら一般構娠物用のセメントと差Ｊ％が
ある。４１１に問題となる物性としては、凝結時間（シ
ックニンクタイムとも称する）と強さ発現性とを挙ける
ことができる。凝緒時間は竜メントスフリーを所定深度
Ｋまで圧送する場合Ｏ施工性を左右する重要な項目であ
り、凝結時間が短かすぎると所定深度に達する前に硬化
するため実用上問題が生じ、一方、凝結時間が長すぎる
場合には鋼管周囲に移行し死後の硬化工程に長時間を要
するため、同じく実用上問題となる。一方、セメントは
硬化した後はケーシングパイプの補強に充分な強さを持
つことが要求される。

特に油井、地熱井等は一般の構築物に比較してはるかに
厳しい条件、すなわち鳥圧かつ嵩温条件に長期間さらさ
れるため、そのような条件下における強さの持続性が％
に要求される。

ところで従来は高温条件といっても約２５０Ｃ以下の温
度条件下で施工される場合が大部分であり、このような
条件におけるケーシンダノ（イブの補強用の施工に用い
るセメントとしては。

凝結速度が比較的遅いセメントに凝結遅延剤および比重
調節材を添加し九セメント組成物が多く用いられてき庭
。そのような凝固速度の遅いセメントとしては１例えば
アメリカ石油協会（略称ＡＰＩ）の規格に規定されてい
る各種の油井用セメントのうち、クラスＧセメントと呼
ばれる３Ｃ亀０・Ｓ１０．を主成分とし、他に３Ｃ為０
・Ａｎ、０．。

β−２ＣａＯ’　Ｓｉｎｇｓ　４ＣａＯ’Ａｊｌ（％　
”Ｆ＠２０ｇなどを含むセメント、あるいはクラスフセ
メントと呼ばれる主としてβ−２ＣａＯ・Ｓｉｎ、クリ
ンカーとケイ酸質物質からなるセメント、などが使用さ
れている。

これらのセメントは施工条件に合わせ、必要に応じて凝
結遅延剤あるいは比重調節材などを添加して使用してい
る。

一方近年になって温度条件が約２５０Ｃ以上。

例えば３５０Ｃに達するような油井、地熱井の掘削も多
く行なわれるようにな）、これらの高温条件下のセメン
トによるケーシングパイプ補強用施工（セメンチング施
工）Ｋ対して上記のような従来のセメント組成物を用い
た場合には各種の問題が生じるｉ 例えばクラスＧセメントに耐高温特性、耐劣化特性等を
目的としてケイ酸質物質を添加した竜メント運成物に、
更にその凝結時間を嬌兼する友めに凝結ｊ！延剤を加え
て使用し喪場合、そＯａｌ緒時開時間！結遅遅砥削添加
量によって著しく変動するため、所望の凝結時間を示す
セメント組成物が得られにくく、ｔたその添加量のわず
かなパラツキによっても凝結時間が大きく変わるため、
工業上において安定し良品質のものが得られ難いとの問
題が生じる。

クラスフセメントについては、高温下に＄Ｉ−ｔする凝
結時間を遅らせるためには多量の凝結遵凰剤を必要とす
るとの問題がＴｏｂ、更にそのような多量の凝結遅延剤
の添加によ抄部公的な硬化不要、著しい発泡現象なども
発生し、セメント組成物の強さ発現性を低下させるとい
う欠点が生じる。

本発明は、特に高い温度の掘削条件下でのケーシンダパ
イプＯ１ｍ強用施工に適し九セメント履成物を提供する
ことを目的とするものであり。

次のような構成を有するものである。

（１）金属マグネシウム製造時に副生ずるレトルト残滓
の再焼成物、５０〜９０重量％（−にメント組成物全体
に対する割合）蓚そして（２）ケイ酸質物質、１０〜４
５重量％（−上）！を含有することを特徴とする高温使
用に適したセメント組成物。

次に本発明を詳しく説明する。

本発明では、セメント組成物の半量以上を占める主成分
として金属！グネシウム製造時に副生するレトルト残滓
の１１！焼成物（以下単に、　ＩＩＩ滓再焼成物と略称
する）を使用することを大きな４Ｉ徴としている。その
よう表残滓再焼成物は。

金属マグネシウムを熱還元法によ抄製造する−に副生す
るレトルト残滓（焼成物）をさらに焼成することによ）
容易に得られる物質であり。

その化学成分及びその量の一例を示せば１次０ようにな
る。

５ｌｏｔ（８１％）、　７ｕ、Ｏｓ（１％）、　　Ｆ＠
ｔ’ｓ（６％）。

ＣａＯ（５７％）　、　　ＭｇＯ（４％）、　　８０．
（０−２％）。

Ｒ，Ｏ（０，１％　）、　Ｆ　（０，３％）、遊離Ｃａ
Ｏ（２％　）　＊以上全て重量％。

上記のレトルト残滓は通常９粒径１．２−以下の−のが
大部分（約６０％以上）を占める粉末状として得られる
。この粉末状の残滓をさらに微粉砕しく８８＊ｍ、網ふ
るい残分３０％以下）。

必要に応じて若干量の成分調整剤と少量の安定剤（ホウ
素化合物など）を添加した後９例えばロータリー中ルン
により１１００〜１４００　Ｃ（好ましくは１２００〜
１３５０　Ｕ　）で焼成するなどの方法で目的の残滓再
焼成物を製造することができる。

なお、上記の焼成温度としてｌ１００ｃより低い温度を
採用した場合には適正な焼結晶が得られに〈〈、一方、
　　１４００Ｃよ）高い温度で焼成した場合には再焼成
物の融着が顕著にな抄焼成が困難になすやすくなるため
適蟲でない。

残滓再焼成物に含まれる主ＩＩ′＆化合物はα′−２Ｃ
ａＯ・５ＩＯｙであシ、また少量のβ−２ＣａＯ”Ｓｉ
ＯｘおよびＣａＯ・ｐ＠、ｏ、なども含まれている。ま
た焼成によ妙、遊離のＭ、Ｏおよ１ｃａＯは減少する。

残滓再焼成物は通常はプレーン比表面積１８００〜４０
００ａＩＰ／ｊ−好ましくは２３００〜３０００ａ／／
ｐとなるように粉砕された形態でセメント組成物中に含
まれていることが好ましい。

他の主成分のケイ酸質物質としては１例えばケイ石、ケ
イ＊’ｔｈどＯ結晶性ケイ酸質物質及び無定形シリカの
ように比較的多量のケイ１ｌ（Ｓｉｎ、）分を含有する
ものが好ましい、これらのケイ酸質物質は９通常はプレ
ーン比表面積２０００ａｗ”／ｐ以上、好ましくは２５
００〜４０００ｅｓ／／ｐとなるように粉砕された形態
でセメント組成物中に含まれていることが好ましい。

本発明のセメント組成物は、残滓再焼成物とケイ酸質物
質を必須成分として含有するものであるが１本発明の目
的を達成するためＫは、これらの各成分はセメント組成
物中に一定のＩＩＩＩ内の割合で存在している必要があ
る。すなわち本発明Ｏ組成物中には、！Ｉ滓再焼成物が
５０〜９０重量襲、重量てケイ酸質物質がｌθ〜４５重
量舛含有されている必要がある。これらの範囲から明ら
かに逸脱した成分量からなるセメント組成物は凝結時間
９強さ発現性１作条性など各種の特性について本発明の
目的にそぐわなくなるため逼轟でない。なお、各成分は
本発明の組成物中に、残滓再焼成物が５５〜８５重量％
。

そしてケイ酸質物質が１５〜４０重量％の含有量で存在
している仁とが好ましい。

本発明の組成物において、高炉スラグ、石こつ９石灰質
物質、フライアツシエなどの無機質混和材を添加するこ
とも有効である。すなわち。

高炉スラグを添加することにより９例えば２５０ｃ以上
のよりな＾ｉ１１度条件下にある坑井で用いられる場合
でも凝結遅延剤の所要量を低減することができる。その
結果、多量の凝結遅延剤の添加によ如発生し中すい部分
的な硬化不良あるいは発泡現象の発生を抑制することが
できる。

石こうを添加した場合には、残滓再焼成物の粉砕時にお
ける被粉砕性が向上し、さらに強さ発現性の向上にも有
効に作用する。また石灰質物質（例えば１石灰石あるい
は消石灰など）および／を九はフライアッシュの添加に
より、凝結時間あるいは強さ発現性などの各種の性質の
向上がみられる。これらの各種の無機質混和材の適正な
添加量は混和材の８ｍ、添加対象のセメント組成物の配
合組成などによって異な′るが。

２０重量−以下（添加後の混合物における内部割合）で
、かつ１重量％以上（同上）であることが好ましい。こ
の範囲を越えた量添加しても。

その添加効果の向上は殆んどみられず、一方。

１重量％に満たない添加量では、その添加による効果は
実用土塊われない。

本発明のセメント組成物は例えば、残滓再焼成物（必！
！に応じて石ζう等の粉砕補助用添加成分を添加）およ
びケイ酸質物質、そして必要に応じて他の無機質混和材
の所定量をそれぞれ別途に粉砕し良後混合する（分離粉
砕）方法。

あるいは各成分と同時に粉砕する（混合粉砕）方法亀ど
Ｋよって適ａ１ｋｅ末度を持つ混合物を得るようにして
調製する。なお、こうして得られたセメント組成物に必
ｌ！に応じて凝結遅延剤および／ｌたは比重調節材を添
加混合すること４できる。この凝結遅延剤は、残滓再焼
成物の粉砕時、セメント組成物の調製時など、いずれの
時期に添加してもよい。

凝結遅延剤としては例えばリグニンスルホン酸塩系化合
物あるいはホウ素化合物が使用されるが、このリグニン
スルホン酸塩系化合物とホウ素化合物とを併用すること
が好ましい。適当なホウ素化合物Ｏ例としてはホウ酸カ
リウム。

ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カルシウムなどのホウ酸塩、
そしてホウ酸などを挙げることができる。リグニンスル
ホン酸塩系化合物とホウ素化合物との併用割合（配合割
合）は１：ｌＯ〜５：ｌ（重量基準）の範囲内にあるこ
とが好ましい。セメント組成物への凝結遅延剤の添加量
は施工条件（温度、圧力等）Ｋ応じて適ｍＫ決められる
が１例えば２５０〜４００Ｃの温度条件で施工する場合
には０．１−１５重重量％セメン）４ｇ成物に対する量
）の範囲内から選ばれる。本発明のセメント組成−にリ
グニンスルホン酸塩系化合物（ホウ素化合物と併用する
のが好ましい）を凝結遅延剤として添加した場合、その
添加量が比較的低い場合でも有効な凝結遅嬌効釆が現わ
れ、更に、その凝結時間は凝結遅延剤の添加量とほぼ比
例し九関係を示す九め、所望の凝結時間を有するセメン
ト組成物が容重に得られるとの利点がある。

比重調節材としては１例えばパーライト、フライアツシ
エ、けいそう±、ミクロシリカなどの無機軽量物質を使
用することができる。このような比重調節材の添加量は
、比重調節材の種類、スラリーの濃度、目的とする比重
により轟然変わる。例えば坑井温度約２５０〜４００Ｃ
の条件下の油井／地熱井で使用する低比重電メントス２
リー（比重約Ｌ３〜Ｌ７）を得るためにはセメント組成
物に通常は３〜３０重量％の範囲で添加する。また、セ
メントスラリー調製後に上記の比重調節材が浮上分離す
るのを防ぐためにベントナイトを２重量％以上（好まし
くは３〜８重量Ｎ、セメント組成物に対する量）を比重
調節材と同時に添加することが好ましい。

以上述べたよりな本実＠Ｏセメント組成物は。

従来油井もしくは地熱井のケーシングノくイブ補強用に
用いられているセメント組成−に比べて次のような優れ
友刹点がある。

（１）坑井温度約２５０〜４００Ｃの高温条件下にある
油井／地熱井における使用に特に適している。すなわち
、そのような高温条件下においても遍蟲な凝結時間を示
し、かつ強さの発現性も優れている。

（２）　　高炉スラリを本発明のセメント組成物に添加
した場合には凝結時間が長くなるため９通常のケーシン
グパイプ補強用セメント組成物の凝結時間を弧長する丸
めに添加されている凝結遅延剤を本発明のセメント組成
物に添加する場合でも、その必要量は低減される。この
九め多量Ｏ凝結遅延剤の添加によ〕発生しやすい部分的
な硬化年貢、あるいは発泡現象があまシ現われず、ｔた
強さ発現性も向上する。

（３）　　凝結遅延剤を本発明のセメント組成物に添加
した場合、その添加量と凝結時間とはほは比例関係を示
すため、所望の凝結時間を持つセメント組成物の調製が
容易になる。

（４）地熱層は一般に不安定で崩壊し易いため低比重Ｏ
セメントが要求される場合が多いが。

本発明のセメント組成物に比重調節材を添加することに
よ）上記０＊＊条件のような厳しい条件下でも使用が可
＃！な低比重スラリー（比重、約Ｌ３〜ｔ７）を容易に
得ることができる。

（５）従来は廃棄物として曹立て用などに使用されてい
友金属マグネシウム製造時に副生するレトルト残滓を有
効に利用できる。

なお本発明の説明にあ友って、これまで高温度条件下の
油井あるいは地熱井を施工の対象物として記述したが、
同様な厳しい条件下での他の対象物への施工に４用い得
ることは貰うまでもない。

以下に本発明の実施例および比較例を示す。

ｌｌＸ１表のデータは供試試料中Ｏ代表的な化学成分の
１１類および含有量を示す−のである。

第　１　表供試試料の化学成分（重量％）〔実施例１−
３および比較例１−２〕 ！グネシクム製造時に副生じたレトルト残滓にホウ酸を
０．５重量％（Ｂ、０．基準）添加して１３００Ｃで３
０分間焼成したのち、プレーン値２５００ＣＩｇ”／９
に粉砕し友。　この残滓再焼成物とケイ石（ブレーン比
表面積２７００ａ／／ｐ　）との配合量を変えたセメン
ト組成物を用い、この組成物に対して４７重量％の水を
加えてスラリーを調製し、アメリカ石油協会（ＡＰＩ）
規格試験（凝結および強さ試験）を行なった。凝結時間
はり缶 ツクニングタイムテスターを用い１２０Ｃ，１１３５ｋ
ｙｆ／ｃ−条件下（スケジュール９）で測定した。

また１強さ試験はＡＰＩ規定のキエアリングチャンハー
（高温高圧養生槽）を用いて１４３ｒ。

２１１ｋｌｆ々が（スケジュールＳＳ）条件１で１２時
間、　１７７ｃ＊　２１１ｋ）ｆ／ｃｍ２（スケジュー
／’１０５）で２４時間および７日間養生したのち、硬
化体の圧縮強さを測定した。この結果を第２表に示す。

第２表 になるまでの時間で表わした。

第２表かられかるように、！５Ｉ滓再焼成物を用いた本
発明のセメント組成物の品質は優れており、ＡＰＩ規格
値（クラスＪセメント）に十分合格する。一方、セメン
ト組成物の配合割合が本発明の範囲外になるとシックニ
ングタイムが蜆かくなり、また一部の組成物（とくに残
滓再焼成物の配合割合が多い場合）Ｋついては材令７日
強さが材令２４時間強さよシ４小さくなる。

〔実施例４−５および比較例３−５〕 残滓再焼成物とケイ石の配合割合を変え九セメント組成
物（実施例４−５．比較例３−４）およびβ−２ＣａＯ
・５ｌｉｔクリンカー（β−２ＣａＯ３＋（％８６　％
−３ＣａＯ’ＡｊｌＯｍ　３％、および４　ＣａＯ・Ａ
４０ｎ・Ｆｅ２Ｏ２１１％、ブレーン比表面積２７００
傷冨／））とケイ石との組成物（比較例５）を用い、こ
の組成物に対して凝結遅延剤（リグニンスルフォン酸素
ルシウム２重量部とホウ酸カリウムに、Ｂ、。Ｏｍ、・
８１１，０１１量部との混合物）を５重量％および水を
４５重量％添加してスラリーを調製し、アメリカ石油協
会規定の試験法に皐じ坑井温度３５０ｔ：’のセメンチ
ング施工を想定した条件で凝結試験および強さ試験を行
なった。

この場合、凝結試験は３００Ｃ，７００ｋｙｆ／ｃが。

ま九強さ試験用供試体の養生条件は３５０Ｃ。

２１１ｋｐｆ／ｃ−で行なつ九。これらの結果を第３表
に示す。

第　　３１１ 第３表かられかるように、残滓再焼成物とケイ石を適正
量配合し良セメント組成物は凝結遅延剤を添加すること
により高温度の施工条件下でも十分使用できる。これに
対して１本発明の配合割合範囲外では、凝結時間が適正
でないか。

または強さ発現性が劣るなどの問題がある。また、従来
の／−２ＣａＯ・Ｓ１偽クリン力−使用時よりも凝結時
間が長く９強さ発現性も良好である。

なお９本発明のセメント組成物を用い、凝結遅延剤の添
加量を０．２〜ｌＯ重量％に変え良セメント組成物につ
いても同じ条件下で凝結試験を行なつ友結果、凝結時閲
は凝結遅延剤の添加量が多くなるにつれては！比例的に
長くなることがわかつ友。従って、所望の凝結時間を持
つセメント組成物の調製が極めて容易である。

〔実施例６−１ｏおよび比較例６−８〕残滓再焼成物あ
るいはβ−２ＣｍＯ・Ｓｉｎ、をクリンカーとケイ石と
の混合物に、さらに高炉スラグ。

石こう１石灰質物質、フライアッシエなどの無機質混和
材を添加し良セメント組成物について。

実施例４−５０項に記載の方法によりス２り一を調ＩＩ
（凝結遅延剤を添加）ｔ、、ａｌ結試験および強さ試験
を行なり友。とれらの結果を第４表に示す。ｔ＞無機質
混和材を添加していないセメント組成物についての前掲
の実施例４の測定第　　４　　表 １ｓ４表かられかるように、無機質混和材の加重量％壕
での添加はこの種のセメント組成物の品質向上に有・“
効である。例えば、高炉スラグの添加は凝一時間が長く
なる良め凝結遅延剤の所要量が低減でき、またこのよう
な高炉スラグの添加による効果は従来のβ−２ＣａＯ・
Ｓｉへクリンカー使用時のそれよりも大きい。フライア
ッシュを添加し良場合は高炉スラグ添加時のそれと同様
な効果が得られる。また９石こうおよび石灰石を添加し
た場合には１強さ発現性の向上に有効である。

〔実施例１１−口および比較例９−１２）残滓再焼成物
およびケイ石からなるセメント組成物（重量割合７０：
３０）、およびβ−２Ｃ１０ＳｔＯ，クリンカーおよび
ケイ石からなるセメント組成物（重量割合７０；３０）
を用い、実施例４−５と同じ凝結遅延剤を添加してスラ
リーと調製し、アメリカ石油集金規定の試験法に準じ坑
井温度２５０〜４５０ｔ：’にシけるセメンチング施工
を想定し九凝結試験および強さ試験を行なった。この場
合、凝結試験は坑井温度よりも５０Ｃ低い温度（坑底循
環源ｆ）で行なった。

これらの結果を第５表に示す。

第　　５　　表 第５表かられかるよグに９本発明のセメント組成物は坑
井温度４５０Ｃ１での高温条件下で十分使用できる。ｔ
た。従来Ｏβ−２ＣａＯ・Ｓ１０．クリンカー使用時に
くらぺて凝結遅延剤の所要量が低減でき、また強さ発現
性が大きい。

〔実施例１４−１６３ 残滓再焼成物とケイ石からなるセメント組成物を用い（
重量割合７０：３０）実施例４−５と同じ凝結遅延剤、
さらにパー之イトおよびベントナイトｔｍ合したセメン
ト組成−について。

アメリカ石油協会規定の試験法に準じ坑井温度３５０Ｃ
ｌ想定し九凝緒試験および強さ試験を行なった。この場
合、混線水量はセメント組成物に対する外１ｉｉａ合重
量１準で６２％（夷−例１４）。

６５％（実施例１５）、６７％（実施例１６）で行なっ
た。これらの結果を第６Ｉ！に示す０なお同じセメント
組成物と凝結遅延剤を用い、かつ混線水量４５％で測定
した前掲の実施例４の一定緒釆４併せて示す〇 第　　６　　表 第６表かられかるように１本発明の低比重セメントスラ
リーは高温条件下で十分使用できる。

特許出願人　宇部興産株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　組成物中に、金属マグネシウム製造時Ｋ１１ｌ生す
   るレトルト残滓の再焼成物を５０〜９０重量％、ケイ酸
   質物質を１０〜４５重量％を含有することをＩｌ？Ｉｌ
   ｋとする坑井用セメント組成物。 ２　組成物中に更に、高デスラグ、石こう１石灰質物質
   およびフライアッシュのｌ１１ま良は２１１以上の混合
   物が１〜２０重量％含有されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のセメント組成物。