PL236864B1 - Kompozycja niefrakcjonującego zaczynu cementowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozycja niefrakcjonującego zaczynu cementowego przeznaczona do uszczelniania otworów wiertniczych stosowana głównie do uszczelniania otworów kierunkowych, horyzontalnych i do otworów pionowych.

W literaturze branżowej oraz patentowej nie ma informacji o zaczynach nieulegających frakcjonowaniu i zawierających jednocześnie dodatek perlitu filtracyjnego przeznaczonych do stosowania w górnictwie otworowym. Są informacje o stosowaniu dodatku perlitu, jednak głównie, jako materiału odpadowego lub w celu obniżenia gęstości bądź poprawy współczynnika przenikalności cieplnej betonu (izolacja termiczna).

W zgłoszeniu patentowym US2585366, ujawniono wynalazek dotyczący sporządzenie lekkiej mieszanki betonowej. Wynalazek oparty jest na mieszance z dodatkiem minerałów perlitowych, zaś w zgłoszeniu US5114617 ujawniono informację dotyczącą sporządzania wysokowytrzymałego betonu strukturalnego charakteryzującego się obniżoną gęstością. W rozwiązaniu tym zastosowano lekkie frakcje perlitu.

Z kolei w opisie patentowym US6290769 B1 ujawniono informacje dotyczące opracowania lekkiego betonu izolacyjnego na osnowie perlitu ekspandowanego. Podany w patencie sposób wytwarzania lekkiego betonu izolacyjnego obejmuje mieszanie kompozycji cementowej tworzącej materiał i kruszywa lekkiego w postaci ekspandowanego perlitu a także domieszek lub środków powierzchniowo czynnych, natomiast w opisie patentowym US6402830 B1 opisano lekką i trwałą kompozycję betonu uzyskaną z powszechnie dostępnych składników, jakimi są cement, perlit, pumeks oraz woda. Dzięki takiemu zestawieniu stworzona została trwała oraz lekka kompozycja betonu przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów produkcji udanego komponentu.

W publikacji autorów E. Osiecka, R. Krzywobłocka-Laurów, E. Krawczyk; pt: „Zaprawy perlitowe o matrycy cementowej zawierające materiały odpadowe z energetyki” opublikowanej w pracach Instytutu Techniki Budowlanej, kwartalnik nr 1 (133) z 2005, poruszono zagadnienie sporządzania lekkich zapraw budowlanych przy wykorzystaniu materiałów odpadowych z energetyki, natomiast kruszywo perlitowe zastosowano jako dodatek obniżający ciężar zaprawy budowlanej. Uzyskano dość lekkie zaprawy budowlane charakteryzują się korzystnymi cechami cieplnymi i znajdować mogą wykorzystanie do produkcji elementów budownictwa energooszczędnego. Dodatkowo poruszone zostało zagadnienie przydatności perlitu jako składnika modyfikującego strukturę tworzywa pod kątem poprawy jego zachowania w warunkach oddziaływania wody - wskutek zapewnienia przez ziarna perlitu kompensacji naprężeń powstających podczas tworzącego się w tego rodzaju układach ettringitu.

Ze zgłoszenia patentowego US20080115937 znane są ciecze wiertnicze zawierające dodatek perlitu. Kompozycje cementowe opisane w tym opisie patentowym oparte są na cemencie klasy A, C, G oraz H. Kompozycje cementowe zawierają od 1 do 100 procent wagowych perlitu w stosunku do cementu. W składzie kompozycji zaczynu stosowane są środki kondycjonujące.

Z kolei w zgłoszeniu patentowym nr US20140123879 opisano metodę cementowania przy użyciu kompozycji zawierających perlit oraz cement mielony. Dzięki takiemu połączeniu stworzono zaczyn cementowy o podwyższonej wytrzymałości na ściskanie powstałego płaszcza cementowego. Innym korzystnym skutkiem takiego połączenia jest zmniejszenie ilości cementu portlandzkiego. Wg wynalazku stosowane ilości perlitu zawierają się w zakresie od 1% do 75% wagowo w stosunku do ilości cementu. Niektóre kompozycje zawierają glinokrzemiany w postaci zeolitów.

Przykładowe powyższe rozwiązania, ze względu na swój skład tworzą zaczyn cementowy, którego ziarna ulegają frakcjonowaniu. Kompozycje te narażone są na segregacje ziaren o różnych gęstościach pod wpływem sił grawitacji, zaś wytworzony kamień cementowy ma różną strukturę.

Celem wynalazku jest stworzenie kompozycji cementowego materiału uszczelniającego, zawierającej wodę zarobową i rozpuszczone w niej środki modyfikujące, tworzącą zaczyn cementowy, którego ziarna nie będą ulegały frakcjonowaniu i będzie się nadawał do uszczelniania rur w otworach kierunkowych, horyzontalnych oraz pionowych. Stworzona kompozycja zaczynu nie będzie wykazywała segregacji ziaren o różnych gęstościach pod wpływem sił grawitacji. Wytworzony z takiego zaczynu kamień cementowy będzie charakteryzował się zwartą i jednolitą mikrostrukturą niezależnie od punktu pomiaru w otworze wiertniczym, czyli struktura płaszcza cementowego będzie wykazywała takie same wartości parametrów mechanicznych takich jak: wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na zginanie, przyczepność do rur stalowych, przyczepność do skały, porównywalne wartości parametrów fizykomechanicznych, jak wartość przepuszczalności dla gazu oraz współczynnika porowatości, niezależnie od głębokości poboru próbki kamienia cementowego.

PL 236 864 Β1

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym Kompozycja niefrakcjonującego zaczynu cementowego na bazie cementu wiertniczego i wody charakteryzuje się tym, że zawiera 50 cz. wag. wody zarobowej, 100 cz. wag. cementu wiertniczego G, 0,3-0,5 cz. wag. produktu oksyetylenowania i oksypropylenowania nasyconego alkoholu tłuszczowego, 0,05-0,25 cz. wag. modyfikowanych sulfonianów polinaftalenowych, 0,2-0,4 cz. wag. mieszaniny organicznych polimerów oraz modyfikowanych kopolimerów, 2,0-4,0 cz. wag. chlorku wapnia, 3,0 cz. wag. chlorku potasu, 0,3-0,7 cz. wag. perlitu filtracyjnego, 0,2-0,4 cz. wag. środka spęczniającego w postaci mieszaniny związków chemicznych środków mineralnych, 10-20 cz. wag. wodnej dyspersji kopolimeru butadienowo-styrenowo-amidowego z dodatkiem środków modyfikujących, a także 1-2 cz. wag. roztworu wodnego mieszaniny etoksylowanych alkoholi nienasyconych, i 10-25 cz. wag. mielonego cementu portlandzkiego.

Korzystnie, gdy kompozycja niefrakcjonującego zaczynu zamiast 2,0-4,0 cz. wag. chlorku wapnia zawiera 0,05-0,25 cz. wag. lignosulfonianów wapnia i sodu.

Zaletą takiego rozwiązania jest stworzenie kompozycji niefrakcjonującego zaczynu cementowego, która zawiera między innymi wodę zarobową i rozpuszczone w niej środki modyfikujące oraz cement wiertniczy i perlit filtracyjny, dzięki której otrzymany materiał uszczelniający utworzy zaczyn cementowy, którego ziarna nie ulegają frakcjonowaniu. Tak stworzona kompozycja zaczynu nie wykazuje segregacji ziaren o różnych gęstościach pod wpływem sił grawitacji, zaś wytworzony kamień cementowy ma zwartą i jednolitą mikrostrukturę w całej swojej objętości.

Przykład wykonania zaczynu według wynalazku przedstawiono poniżej.

Kompozycja pierwsza

woda wodociągowa	0, 500 m3
środek odpieniający (produkt oksyetylenowania i oksypropylenowania nasyconego alkoholu tłuszczowego)	3 kg
środek upłynniający (modyfikowane sulfoniany polinaftalenowe)	2 kg
środek przeciwfiltracyjny (mieszanina organicznych polimerów oraz modyfikowanych kopolimerów)	2 kg
środek przyspieszający wiązanie (chlorek wapnia)	2 0 kg
środek spęczniający (mieszanina związków chemicznych i środków mineralnych)	3 kg
lateks wiertniczy (wodna dyspersja kopolimeru butadienowo-styrenowoamidowego z dodatkiem środków modyfikuj ących)	100 kg
stabilizator lateksu (roztwór wodny mieszaniny etoksylowanych alkoholi nienasyconych)	10 kg
chlorek potasu	15 kg
perlit filtracyjny	5 kg
mikrocement (cement portlandzki o powierzchni właściwej ok. 1200 m2/kg)	200 kg
cement wiertniczy G	1000 kg

PL 236 864 Β1

Kompozycja druga:

woda wodociągowa	0, 500 m3
środek odpieniający (produkt oksyetylenowania i oksypropylenowania nasyconego alkoholu tłuszczowego)	3 kg
środek upłynniający (modyfikowane sulfoniany polinaftalenowe)	1 kg
środek przeciwfiltracyjny (mieszanina organicznych polimerów oraz modyfikowanych kopolimerów')	2 kg
środek opóźniający wiązanie (lignosulfoniany wapnia i sodu)	1 kg
środek spęczniający (mieszanina związków chemicznych i środków' mineralnych)	3 kg
lateks wiertniczy (wodna dyspersja kopolimeru butadienowe-styrenowo-amidowego z dodatkiem środków modyfikujących)	100 kg
stabilizator lateksu (roztwór wodny mieszaniny etoksylowanych alkoholi nienasyconych)	10 kg
zasolenie wody zarobowej (chlorek potasu)	15 kg
perlit filtracyjny	5 kg
mikrocement (cement portlandzki o powierzchni właściwej ok. 1200 m2/kg)	200 kg
cement wiertniczy G	1000 kg

Wytwarzanie kompozycji wysokostabilnych sedymentacyjnie zaczynów cementowych

Do podanej wyżej ilości wody zarobowej (wody wodociągowej) w trakcie mieszania dodaje się w podanych wyżej ilościach i następującej kolejności: środek odpieniający o nazwie handlowej PSP061 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych - według karty charakterystyki substancji chemicznej z dnia 07.05.2003), środek upłynniający o nazwie handlowej PSP 042 10 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych), środek przeciwfiltracyjny o nazwie handlowej PSP 031 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych), środek spęczniający o nazwie handlowej PSPQ 1 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych), chlorek potasu KC1, perlit filtracyjny EP100F (firmy Perlipol), chlorek wapnia CaCb (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych), lateks wiertniczy o nazwie handlowej PSP 104 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych), stabilizator lateksu o nazwie handlowej PSP 103 (firmy Polski Serwis Płynów Wiertniczych). Całość miesza się około 10 minut do całkowitego rozpuszczenia składników i ujednorodnienia mieszaniny. Następnie ciągle mieszając wprowadza się smikrocement oraz cement wiertniczy G firmy Dyckerhoff. Tak przygotowane zaczyny cementowe miesza się dalsze 20 minut a następnie wprowadza się do otworu wiertniczego wypełniając przestrzeń pomiędzy rurami okładzinowymi a skałą. W przypadku drugiej odmiany wynalazku - drugiej kompozycji, w miejsce chlorku wapnia CaCb zastosowano środek opóźniający wiązanie o nazwie handlowej PSP 013.

PL 236 864 Β1

Zaczyny o powyższym składzie posiadają następujące parametry:

Parametr określany dla zaczynów cementowych	Jednostka	Wartość uzyskanego parametru dla kompozycji pierwszej	Wartość uzyskanego parametru dla kompozycji drugiej
Temperatura badania	[°C]	30	50
Ciśnienie badania	[MPa]	b	18
Gęstość	[kg/m3]	1800	1800
Odstój wody	[%]	0, 0	0, 0
Stabilność sedymentacyj na	Różnica gęstości [kg/ m3] Pomiędzy górną a środkową częścią kolumny pomiarowej Pomiędzy środkową a dolną częścią kolumny pomiarowej	0, 0	0, 0
0,0	0,0
Czas gęstnienia (konsystencj a)*	30 Bc [h: minuty] 100 Bc [h: minuty]	4 : 04 4:34	3 : 04 3:30
Filtracj a	[cm3/30 minut]	27	171
Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach	[MPa]	11,4	11,4
Przepuszczalność dla gazu po 7 dniach	[mD]	0,09	0,15

) Podano wartości konsystencji w jednostkach Beardena (Dc) wg. normy EN-PN- 10426

Przedmiot według wynalazku może być stosowany do uszczelniania rur okładzinowych w otworach kierunkowych i horyzontalnych, gdzie warunki geologiczne wymagają stosowania zaczynów eliminujących możliwość frakcjonowania cząsteczek, przy jednoczesnym zachowaniu gazoszczelności tworzącego się płaszcza cementowego.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kompozycja niefrakcjonującego zaczynu cementowego na bazie cementu wiertniczego i wody znamienna tym, że zawiera 50 cz. wag. wody zarobowej, 100 cz. wag. cementu wiertniczego G, 0,3-0,5 cz. wag. produktu oksyetylenowania i oksypropylenowania nasyconego alkoholu tłuszczowego, 0,05-0,25 cz. wag. modyfikowanych sulfonianów polinaftalenowych, 0,2-0,4 cz. wag. mieszaniny organicznych polimerów oraz modyfikowanych kopolimerów, 2,0-4,0 cz. wag. chlorku wapnia, 3,0 cz. wag. chlorku potasu, 0,3-0,7 cz. wag. perlitu filtracyjnego, 0,2-0,4 cz. wag. środka spęczniającego w postaci mieszaniny związków chemicznych i środków mineralnych, 10-20 cz. wag. wodnej dyspersji kopolimeru butadienowo-styrenowo-amidowego z dodatkiem środków modyfikujących, a także 1-2 15 cz. wag. roztworu wodnego mieszaniny etoksylowanych alkoholi nienasyconych, i 10-25 cz. wag. mielonego cementu portlandzkiego.
2. 2. Kompozycja niefrakcjonującego zaczynu wg. zastrz. 1, znamienna tym, że zamiast 2,0-4,0 cz. wag. chlorku wapnia zawiera 0,05-0,25 cz. wag. lignosulfonianów wapnia i sodu.