RU2111341C1

RU2111341C1 - Expandable grouting material

Info

Publication number: RU2111341C1
Application number: RU96114807A
Authority: RU
Inventors: Н.Е. Щербич; В.И. Корнеев; П.В. Зозуля; В.М. Сизяков; В.В. Ипполитов; В.Ф. Янкевич; С.А. Кармацких; Л.Л. Кашникова
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: geology; drilling of bore holes; mining industry. SUBSTANCE: material contains, wt.-%: Portland cement, 86-96; gypsum, 2-7; and functional additive, namely, hydrocarboalumosilicate compound, 2-7. EFFECT: higher efficiency of material. 1 tbl

Description

Изобретение относится к тампонажным материалам для цементирования нефтяных и газовых скважин в сложных геолого-технических условиях, требующих повышенной надежности разобщения пластов. The invention relates to cementing materials for cementing oil and gas wells in complex geological and technical conditions, requiring increased reliability of separation of formations.

Известен расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс [1]. Known expanding grouting material containing Portland cement, gypsum [1].

Недостатком этого материала является то, что образующийся цементный камень не создает плотный контакт с колонной и породой, т.е. не решает задачу надежной герметизации затрубного пространства и вследствие чего в процессе эксплуатации могут иметь место межпластовые перетоки. The disadvantage of this material is that the resulting cement stone does not create close contact with the column and rock, i.e. does not solve the problem of reliable sealing of the annulus and, as a result, inter-reservoir flows can occur during operation.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс и добавку [2]. Closest to the proposed invention is an expanding grouting material containing Portland cement, gypsum and additive [2].

Недостатком этого материала является ухудшение основных физико-механических свойств уже через шесть месяцев после изготовления: значительно понижается прочность цементного камня, материал характеризуется низкой прочностью сцепления с металлом, удлиняются сроки схватывания. В связи с этим указанный материал не может эффективно использоваться для создания тампонажных материалов, контактирующих с металлом, имеющих повышенную прочность и устойчивое расширение. The disadvantage of this material is the deterioration of the basic physical and mechanical properties within six months after manufacture: the strength of the cement stone is significantly reduced, the material is characterized by low adhesion to metal, the setting time is extended. In this regard, the specified material cannot be effectively used to create grouting materials in contact with the metal, having increased strength and stable expansion.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - повышение качества цементирования эксплуатационных колонн за счет увеличения прочности сцепления тампонажного материала с колонной и породой, что предотвращает негерметичность колонн и межпластовые перетоки во время эксплуатации. The task to which the invention is directed is to improve the quality of cementing production casing by increasing the adhesion strength of the cement material with the column and rock, which prevents leakage of the columns and cross-flow flows during operation.

Техническим результатом является создание тампонажного материала, который обеспечивал бы повышенную прочность и адгезионную способность цементного камня с колонной и породой, обладал устойчивым расширением. The technical result is the creation of grouting material, which would provide increased strength and adhesive ability of cement stone with a column and rock, had a stable expansion.

Поставленная задача и технический результат выполняются тем, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал включает портландцемент, гипс и добавку и в отличие от известного в качестве добавки содержит гидрокарбоалюмосиликатный материал при следующем содержании компонентов, мас.%:
Портландцемент - 86 - 96
Гипс - 2 - 7
Гидрокарбоалюмосиликатный материал - 2 - 7.The task and the technical result are achieved by the fact that the proposed expanding grouting material includes Portland cement, gypsum and an additive, and unlike the additive known as an additive, it contains hydrocarboaluminosilicate material with the following components, wt.%:
Portland cement - 86 - 96
Gypsum - 2 - 7
Hydrocarboaluminosilicate material - 2 - 7.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал отличается от известного введением нового компонента - гидрокарбоалюмосиликатного материала. Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the proposed expanding grouting material differs from the known introduction of a new component - hydrocarbonaluminosilicate material.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна", поскольку использование изобретения позволяет осуществить давно существующую потребность и соответствует критерию "изобретательский уровень". Thus, the proposed technical solution meets the criterion of "novelty", since the use of the invention allows for a long-standing need and meets the criterion of "inventive step".

Гидрокарбоалюмосиликатный материал получают в качестве попутного продукта способом гидрохимического синтеза из щелочнокарбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов на глинозем высших сортов, содопродукты и цемент. Гидрокарбоалюмосиликатный материал содержит в качестве основной фазы ненасыщенный твердый раствор ангидрида угольной кислоты в четырехкальциевом гидроалюминате ориентировочной формулы
4CaO•Al₂O₃•(0,25-1,25)CO₂•(11- 12)H₂O.Hydrocarboaluminosilicate material is obtained as a by-product by the method of hydrochemical synthesis from alkaline carboaluminate solutions and lime in the integrated processing of nepheline into higher grade alumina, soda products and cement. Hydrocarboaluminosilicate material contains, as the main phase, an unsaturated solid solution of carbonic anhydride in tetra-calcium hydroaluminate of the approximate formula
4CaO • Al ₂ O ₃ • (0.25-1.25) CO ₂ • (11-12) H ₂ O.

В качестве второстепенной фазы материал содержит карбонат кальция, гидроалюминаты и низконасыщенные гидрогранаты кальция. Действие гидрокарбоалюмосиликатного материала при твердении составов, содержащих эту добавку, основывается на химическом взаимодействии гидрокарбоалюмосиликата и гипса с образованием эттрингита по условной формуле;
4CaO•Al₂O₃•CO₂•(11-12)H₂O+ 3(CaSO₄•0,5H₂O)+(14-15)H₂O
3CaO•Al₂O₃•3CaSO₄•(31-33)H₂O+ CaCO₃
Образование этого соединения на определенных этапах формирования цементного камня обусловливает компенсацию естественной усадки цементного камня, фиксированное расширение цементного камня в требуемых пределах, а также уплотнение его структуры. Образование эттрингита происходит в ранние сроки твердения, что обеспечивает рост прочности образующегося камня.As a secondary phase, the material contains calcium carbonate, hydroaluminates and low saturated calcium hydrogranates. The action of the hydrocarboaluminosilicate material during the hardening of compositions containing this additive is based on the chemical interaction of the hydrocarboaluminosilicate and gypsum with the formation of ettringite according to the conditional formula;
4CaO • Al ₂ O ₃ • CO ₂ • (11-12) H ₂ O + 3 (CaSO ₄ • 0.5H ₂ O) + (14-15) H ₂ O
3CaO • Al ₂ O ₃ • 3CaSO ₄ • (31-33) H ₂ O + CaCO ₃
The formation of this compound at certain stages of the formation of cement stone causes compensation for the natural shrinkage of cement stone, a fixed expansion of the cement stone within the required limits, as well as the compaction of its structure. The formation of ettringite occurs in the early stages of hardening, which ensures an increase in the strength of the resulting stone.

Были приготовлены: один состав известного материала (портландцемент, гипс и добавка) и шесть составов материала согласно изобретению (портландцемент, гипс и добавка - гидрокарбоалюмосиликатный материал) с граничным и средним содержанием компонентов, а также с их содержанием выше верхнего и ниже нижнего пределов. Приготовление образцов осуществлялось путем затворения гомогенизированной смеси портландцемента, гипса и добавки водой, перемешивание осуществлялось в лабораторной мешалке в течение 3 мин. Плотность, растекаемость, сроки схватывания, прочность при изгибе и прочность сцепления определены по общепринятым методикам по ГОСТ 26798.0-85-26798.2-85, а степень расширения - с помощью прибора системы ГОИ (государственный оптический институт). Were prepared: one composition of the known material (Portland cement, gypsum and additive) and six compositions of the material according to the invention (Portland cement, gypsum and additive - hydrocarbonaluminosilicate material) with a boundary and average content of components, as well as with their content above the upper and lower lower limits. Sample preparation was carried out by mixing a homogenized mixture of Portland cement, gypsum and an additive with water, stirring was carried out in a laboratory mixer for 3 minutes. Density, spreadability, setting time, bending strength and adhesion are determined by generally accepted methods in accordance with GOST 26798.0-85-26798.2-85, and the degree of expansion is determined using an instrument of the GOI system (State Optical Institute).

Результаты испытаний приведены в таблице. The test results are shown in the table.

Из представленных данных следует, что прочность на основе предлагаемого материала в зависимости от количества вводимой добавки значительно превышает прочность известного материала в 1,6 раза. Прочность сцепления незначительно меняется от количества добавки и больше, чем у прототипа в 1,8 раза. Анализ результатов линейных деформаций позволяет сделать вывод о том, что во всех случаях за исключением образцов 5 и 6, наблюдается прогрессивное расширение, которое интенсивно нарастает в течение 1 - 9 сут гидратации и обнаруживает тенденцию к стабилизации к 14 сут твердения. При содержании 10% добавки (образец 5) происходит образование большого количества эттрингита, который дает значительное расширение более 5%, приводящее к появлению микро- и макротрещин в образце. Образец, содержащий 1% добавки (образец 6), обладает высокой прочностью, но характеризуется незначительным расширением. From the presented data it follows that the strength based on the proposed material, depending on the amount of added additives, significantly exceeds the strength of the known material by 1.6 times. The adhesion strength varies slightly from the amount of additive and is 1.8 times greater than that of the prototype. An analysis of the results of linear deformations allows us to conclude that in all cases except samples 5 and 6, a progressive expansion is observed, which intensively increases during 1 - 9 days of hydration and exhibits a tendency to stabilize by 14 days of hardening. When the content of the additive is 10% (sample 5), a large amount of ettringite is formed, which gives a significant expansion of more than 5%, leading to the appearance of micro- and macrocracks in the sample. A sample containing 1% additive (sample 6) has high strength, but is characterized by slight expansion.

На основании анализа результатов расширяющегося тампонажного материала предлагаем оптимальную дозировку добавки 2 - 7%, при которой достигается устойчивое расширение и высокая степень уплотнения цементного камня. Based on the analysis of the results of expanding grouting material, we offer the optimal dosage of the additive 2-7%, at which steady expansion and a high degree of compaction of cement stone are achieved.

Использование предлагаемого тампонажного материала позволяет решить проблему повышения герметичности скважин и их надежности за счет долговечности, расширения в заданных пределах в затвердевшем камне, упростить и удешевить технологию цементирования, так как отпадает необходимость ввода дефицитных, дорогостоящих и токсичных добавок, применяемых для улучшения свойств тампонажных материалов. Using the proposed grouting material allows to solve the problem of increasing the tightness of wells and their reliability due to durability, expanding within specified limits in the hardened stone, simplifying and reducing the cost of cementing technology, since there is no need to introduce scarce, expensive and toxic additives used to improve the properties of grouting materials.

Тампонажный расширяющийся материал не образует токсичных соединений, пожаровзрывобезопасен. Grouting expanding material does not form toxic compounds, fire and explosion proof.

Claims

Expanding grouting material containing Portland cement, gypsum and an additive, characterized in that as an additive it contains hydrocarbonaluminosilicate material in the following ratio of components, wt.%:
Porlantandement - 86 - 96
Gypsum - 2 - 7
Hydrocarboaluminosilicate material - 2 - 7