RU2141026C1

RU2141026C1 - Lightened grouting mortar

Info

Publication number: RU2141026C1
Application number: RU97111567A
Authority: RU
Inventors: Н.Е. Щербич; В.В. Ипполитов; В.Ф. Янкевич; А.А. Фролов; В.П. Овчинников; Н.Е. Карелина
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: grouting mortars applicable in cementing of casing strings of gas, gas condensate and oil wells complicated with presence of incoherent liable to hydraulic rupture rocks. SUBSTANCE: lightened grouting mortar contains ingredients in the following amounts, wt.%: grouting portland cement 53.75- 62.67; hollow glass microsphere 1.33-3.75; carboaluminate additive 1.25-2.67; gypsum 1.25-2.67; the balance, water or 4% solution of calcium chloride. EFFECT: expansion of cement stone within 0.1-0.3% with simultaneous decrease of density of grouting mortar to 1.42 g/cu.cm. 3 tbl

Description

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород, а также наличием в разрезе многолетнемерзлых пород (ММП). The invention relates to cement slurries used in cementing casing strings of gas, gas condensate or oil wells, complicated by the presence of loosely coupled rocks prone to hydraulic fracturing, as well as the presence of permafrost rocks in the section.

Известен облегченный тампонажный раствор, включающий портландцемент, облегчающую добавку - стеклянные микросферы, суперпластификатор, гидрофобизатор и воду /1/. Known lightweight grouting mortar, including Portland cement, facilitating the addition of glass microspheres, superplasticizer, water repellent and water / 1 /.

Недостатком известного облегченного тампонажного раствора является отсутствие расширения тампонажного камня, приводящее к межколонным проявлениям, кроме того, данный состав применим только при температуре 75^oC.A disadvantage of the known lightweight grouting mortar is the lack of expansion of the groutstone, leading to intercolumnar manifestations, in addition, this composition is applicable only at a temperature of 75 ^o C.

Наиболее близким по составу и назначению является облегченный тампонажный раствор, содержащий цемент, полые стеклянные микросферы и воду /2/. The closest in composition and purpose is a lightweight cement slurry containing cement, hollow glass microspheres and water / 2 /.

Недостатком известного раствора является отсутствие сцепления тампонажного камня с колонной, т. к. в процессе твердения наблюдается усадка цементного камня, что подтверждается данными АКЦ на месторождениях Севера Тюменской области. A disadvantage of the known solution is the lack of adhesion of the cement stone with the column, because during the hardening process, shrinkage of cement stone is observed, which is confirmed by the data of ACC in the fields of the North of the Tyumen region.

Задачей изобретения является улучшение параметров облегченного тампонажного раствора и камня за счет расширения тампонажного камня в процессе твердения, обеспечивающего предотвращение межколонных проявлений в процессе эксплуатации скважин. The objective of the invention is to improve the parameters of lightweight grouting mortar and stone due to the expansion of groutstone in the hardening process, which prevents the occurrence of annular manifestations during the operation of wells.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка облегченного тампонажного раствора, обладающего расширяющим эффектом. The technical result of the claimed invention is the development of lightweight cement slurry with an expanding effect.

Сущность изобретения заключается в том, что заявляемый облегченный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, облегчающую добавку, расширяющий компонент и жидкость затворения, в отличие от известного содержит в качестве расширяющего компонента карбоалюминатную добавку и гипс при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент тампонажный - 53,75 - 62,67
полые стеклянные микросферы - 1,33 - 3,75
карбоалюминатная добавка - 1,25 - 2,67
гипс - 1,25 - 2,67
вода или 4% раствор хлористого кальция - остальное
Таким образом, сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый облегченный тампонажный раствор отличается от известного введением новых компонентов, а именно: карбоалюминатной добавки и гипса при вышеприведенном соотношении компонентов, т.е. заявляемое изобретение отвечает критерию "новизна".The essence of the invention lies in the fact that the claimed lightweight grouting mortar, including Portland cement grouting, a facilitating additive, an expanding component and a mixing fluid, in contrast to the known component, contains a carboaluminate additive and gypsum as an expanding component in the following ratio of components, wt.%:
Portland cement grouting - 53.75 - 62.67
hollow glass microspheres - 1.33 - 3.75
carboaluminate additive - 1.25 - 2.67
gypsum - 1.25 - 2.67
water or 4% calcium chloride solution - the rest
Thus, a comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive lightweight cement slurry differs from the known introduction of new components, namely, carboaluminate additives and gypsum in the above ratio of components, i.e. The claimed invention meets the criterion of "novelty."

Поскольку использование изобретения позволяет осуществить существующую потребность, заявляемое изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень". Since the use of the invention allows to fulfill the existing need, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Полые стеклянные микросферы выпускаются по ТУ 6-48-108-94 и представляют собой легкий сыпучий порошок белого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы размером в пределах 15 - 200 мкм, преимущественно от 15 до 125 мкм. Мискросферы вырабатываются из натриевоборосиликатного стекла. Hollow glass microspheres are produced according to TU 6-48-108-94 and are a light, loose white powder, consisting of individual hollow particles of a spherical shape ranging in size from 15 to 200 microns, mainly from 15 to 125 microns. The microspheres are made from sodium borosilicate glass.

Карбоалюминатную добавку получают в качестве попутного продукта способом гидрохимического синтеза из щелочно-карбоалюминатных растворов и извести при комплексной переработке нефелинов на глинозем высших сортов, содопродукты и цемент. Карбоалюминатная добавка состоит преимущественно из гидрокарбоалюминатов кальция, которые представляют собой ненасыщенные твердые растворы ангидрида угольной кислоты в четырехкальциевом гидроалюминате ориентировочной формулы 4CaO • Al₂O₃ • (0,25 - 1,25)CO₂ • (11 - 12)H₂O. В качестве примесных фаз присутствуют карбонат кальция, гидроалюминаты и низконасыщенные гидрогранаты кальция. Действие карбоалюминатной добавки при твердении составов основывается на химическом взаимодействии гидрокарбоалюмината кальция и гипса с образованием эттрингита по условной схеме:
4CaO • Al₂O₃ • CO₂ • (11 - 12)H₂O + 3(CaSO₄ • 2H₂O) + (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 образующего камня.Carboaluminate additive is obtained as a by-product by the method of hydrochemical synthesis from alkali-carboaluminate solutions and lime during the complex processing of nepheline on higher grade alumina, soda products and cement. The carboaluminate additive consists mainly of calcium hydrocarboaluminates, which are unsaturated solid solutions 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. As impurity phases, calcium carbonate, hydroaluminates and low saturated calcium hydrogranates are present. The action of the carboaluminate additive during hardening of the compositions is based on the chemical interaction of calcium hydrocarbonaluminate and gypsum with the formation of ettringite according to the conditional scheme:
4CaO • Al ₂ O ₃ • CO ₂ • (11 - 12) H ₂ O + 3 (CaSO ₄ • 2H 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 forming stone.

Сравнительные данные свойств известного состава тампонажного раствора приведены в табл. 1, а заявляемого в предельных (составы 1 - 12) и запредельных значениях ингредиентов (составы 13 - 16) приведены в табл. 2 и 3. Comparative properties of the known composition of the grouting mortar are given in table. 1, and claimed in the limit (compounds 1 - 12) and the prohibitive values of the ingredients (compounds 13 - 16) are given in table. 2 and 3.

В представленных экспериментальных данных использовали портландцемент тампонажный ПЦТ Д20-50 по ГОСТ 1581-91, стеклянные микросферы по ТУ 6-48-108-94, карбоалюминатную добавку по ТУ 5743-066-00194027-94, гипс по ГОСТ 125-79, хлористый кальций по ГОСТ 450-77 и воду водопроводную по ГОСТ 2874-82. In the presented experimental data, Portland cement PCT D20-50 grouting was used in accordance with GOST 1581-91, glass microspheres according to TU 6-48-108-94, carboaluminate additive according to TU 5743-066-00194027-94, gypsum according to GOST 125-79, calcium chloride according to GOST 450-77 and tap water according to GOST 2874-82.

Сравнение с известным раствором происходит по расходу стеклянных микросфер: 2, 4, 6 мас. % от массы сухой тампонажной смеси. Все составы (известные и заявляемые) имеют одинаковые условия твердения, образцы до испытания находятся в ванне с водой при температуре 20^oC.Comparison with a known solution occurs according to the consumption of glass microspheres: 2, 4, 6 wt. % by weight of the dry cement mixture. All formulations (known and claimed) have the same hardening conditions, the samples are in the bath with water at a temperature of 20 ^o C. prior to testing.

Определение основных свойств облегченного тампонажного раствора и камня производили при температуре 20 + 2^oC и атмосферном давлении в соответствии ГОСТ 26798.0 - ГОСТ 26798.2-85 "Цементы тампонажные. Методы испытаний". Плотность тампонажного раствора определяли пикнометром, растекаемость - по конусу АзНИИ, сроки схватывания - иглой Вика, предел прочности камня на изгиб - на испытательной машине МИИ-100, расширение тампонажного камня в процессе твердения - с помощью прибора системы ГОИ (государственный оптический институт).The basic properties of lightweight grouting mortar and stone were determined at a temperature of 20 + 2 ^o C and atmospheric pressure in accordance with GOST 26798.0 - GOST 26798.2-85 "Cement grouting. Test methods". The density of the cement slurry was determined using a pycnometer, the spreadability was determined using the AzNII cone, the setting time was determined using a Vick needle, the tensile strength of the stone in bending was determined using the MII-100 testing machine, and the expansion of the cement stone during hardening was determined using a GOI system (State Optical Institute).

Облегченный тампонажный раствор готовят следующим образом. Необходимое количество карбоалюминатной добавки смешивают с гипсом и цементом, затем добавляют облегчающую добавку - полые стеклянные микросферы в заданных соотношениях. Сухую тампонажную смесь затворяют водой или 4% раствором CaCl₂ в зависимости от условий цементирования скважины. При цементировании кондуктора (зона ММП) применяют облегченный тампонажный раствор, затворенный раствором CaCl₂, а при креплении эксплуатационной колонны используют облегченный тампонажный раствор, затворенный на воде.Lightweight cement slurry is prepared as follows. The required amount of carboaluminate additive is mixed with gypsum and cement, then a lightening additive is added - hollow glass microspheres in predetermined proportions. The dry cement mixture is shut with water or 4% CaCl ₂ solution, depending on the cementing conditions of the well. When cementing the conductor (MMP zone), a lightweight cement slurry mixed with CaCl ₂ solution is used, and when attaching the production casing, a lightweight cement slurry mixed with water is used.

Пример. Для приготовления 1 кг тампонажного раствора (состав 8, табл. 2) необходимо взять 25,8 г карбоалюминатной добавки, смешать ее с 25,8 г гипса и с 567,7 г цемента, затем добавить 25,8 г полых стеклянных микросфер и полученную сухую смесь затворить 354,8 г 4% раствором CaCl₂. Состав перемешивают 3 мин, после чего определяют плотность и растекаемость. Раствор заливают в формы для определения сроков схватывания, расширения, предела прочности камня на изгиб. После определения сроков схватывания и до времени испытания на изгиб и расширение образцы хранят в воде при температуре 20 + 2^oC. Камень испытывают на прочность и расширение через 2, 7 и 14 сут.Example. To prepare 1 kg of grouting mortar (composition 8, table 2), it is necessary to take 25.8 g of carboaluminate additive, mix it with 25.8 g of gypsum and 567.7 g of cement, then add 25.8 g of hollow glass microspheres and the resulting mix the dry mixture with 354.8 g of 4% CaCl ₂ solution. The composition is stirred for 3 minutes, after which the density and spreadability are determined. The solution is poured into molds to determine the setting time, expansion, tensile strength of the stone in bending. After determining the setting time and until the test for bending and expansion, the samples are stored in water at a temperature of 20 + 2 ^o C. The stone is tested for strength and expansion after 2, 7 and 14 days.

Результаты испытаний приведены в табл. 2 и 3. Приготовленный состав 8 имеет плотность 1,53 г/см³, растекаемость - 24 см, начало схватывания через 4 ч 50 мин, конец схватывания - 5 ч 25 мин, предел прочности камня на изгиб составляет через 2 сут 2,7 МПа, через 7 сут - 4,0 МПа, через 14 сут - 4,7 МПа, расширение через 2 сут составляет 0,16%, через 7 сут - 0,23%, через 14 сут - 0,24%. Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в табл. 2, аналогичны вышеописанному.The test results are given in table. 2 and 3. The prepared composition 8 has a density of 1.53 g / cm ³ , spreadability is 24 cm, the beginning of setting in 4 hours 50 minutes, the end of setting is 5 hours 25 minutes, the ultimate strength of the stone in bending is 2 days after 2.7 MPa, after 7 days - 4.0 MPa, after 14 days - 4.7 MPa, expansion after 2 days is 0.16%, after 7 days - 0.23%, after 14 days - 0.24%. Examples of preparation and testing of the remaining compounds are given in table. 2 are similar to the above.

Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовые соотношения ингредиентов в широком интервале значений. To identify the distinguishing features and the positive effect, the mass ratios of the ingredients were changed over a wide range of values.

Как видно из таблиц, заявляемый тампонажный раствор обладает значительным расширением, которое нарастает в течение 2 - 10 суток гидратации и обнаруживает тенденцию к стабилизации к 14 сут твердения. Уже через 2 сут твердения цементный камень имеет расширение от 0,10 до 0,26% через 7 сут - от 0,15 до 0,30% и от 0,16 до 0,33% через 14 сут твердения при граничных значениях портландцемента от 53,75 до 62,67 мас.%, стеклянных микросфер от 1,33 до 3,75 мас.%, карбоалюминатной добавки и гипса от 1,25 до 2,67 мас.%, воды или раствора CaCl₂ от 33,33 до 37,50 мас.%, тогда как у известных составов расширение камня отсутствует. При этом сохраняются основные технологические параметры (сроки схватывания, предел прочности камня на изгиб, растекаемость и плотность раствора).As can be seen from the tables, the inventive cement slurry has a significant expansion, which increases during 2 to 10 days of hydration and exhibits a tendency to stabilize by 14 days of hardening. Already after 2 days of hardening, the cement stone has an expansion from 0.10 to 0.26% after 7 days - from 0.15 to 0.30% and from 0.16 to 0.33% after 14 days of hardening with boundary values of Portland cement from 53.75 to 62.67 wt.%, Glass microspheres from 1.33 to 3.75 wt.%, Carboaluminate additives and gypsum from 1.25 to 2.67 wt.%, Water or CaCl ₂ solution from 33.33 up to 37.50 wt.%, while known compositions have no stone expansion. At the same time, the main technological parameters are preserved (setting time, the ultimate strength of the stone in bending, spreadability and density of the solution).

При содержании в растворе полых стеклянных микросфер менее 1,33 мас.% (состав 13 табл. 2) возрастает плотность тампонажного раствора (1,70 г/см³), которая не удовлетворяет требованиям ГОСТ на облегченный тампонажный раствор, а при содержании микросфер более 3,75 мас.% (состав 14) раствор теряет подвижность (растекаемость 19 см) и снижается прочность камня на изгиб.When the content in the solution of hollow glass microspheres is less than 1.33 wt.% (Composition 13 of table 2), the density of the cement slurry increases (1.70 g / cm ³ ), which does not meet the requirements of GOST for lightweight grouting mortar, and with the content of microspheres more 3.75 wt.% (Composition 14), the solution loses its mobility (spreadability 19 cm) and the stone's bending strength decreases.

При увеличении содержания в растворе карбоалюминатной добавки (более 2,67 мас. %) резко снижается прочность камня на изгиб (состав 15 табл. 2 и 3), а при уменьшенном содержании карбоалюминатной добавки уменьшается расширение камня (состав 16). With an increase in the content of carboaluminate additive in the solution (more than 2.67 wt.%), The stone's bending strength sharply decreases (composition 15 of Tables 2 and 3), and with a reduced content of carboaluminate additive, the expansion of the stone decreases (composition 16).

Предлагаемый тампонажный раствор позволяет повысить качество крепления скважин и предотвратить газонефтепроявления, имеющие место при цементировании известными составами с использованием полых стеклянных микросфер без расширяющей добавки. The proposed cement slurry can improve the quality of the wells and prevent gas and oil manifestations that occur during cementing with known compositions using hollow glass microspheres without expansion additives.

Источники информации. Sources of information.

1. А.С. N 1640367, кл. E 21 B 33/138, 07.04.91. 1. A.S. N 1640367, cl. E 21 B 33/138, 04/07/91.

2. Патент США N 4370166, кл. C 04 B 7/02, 1983. 2. US patent N 4370166, CL. C 04 B 7/02, 1983.

Claims

Lightweight grouting mortar, including grouting Portland cement, which facilitates the addition of hollow glass microspheres and mixing liquid - water or a 4% solution of calcium chloride, characterized in that it additionally contains a carboaluminate additive and gypsum in the following ratio, wt.%:
Portland cement grouting - 53.75 - 62.67
Hollow Glass Microspheres - 1.33 - 3.75
Carboaluminate additive - 1.25 - 2.67
Gypsum - 1.25 - 2.67
Water or 4% Calcium Chloride - Rest