RU2151271C1

RU2151271C1 - Light grouting mortar

Info

Publication number: RU2151271C1
Application number: RU99104640A
Authority: RU
Inventors: Н.Е. Щербич; В.Ф. Штоль; В.В. Ипполитов; С.А. Кармацких; Н.Е. Карелина; В.Ф. Янкевич; А.А. Фролов
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2000-06-20

Abstract

FIELD: oil and gas production. SUBSTANCE: invention relates to grouting mortars used when cementing casing string in gas, gas condensate, and oil boreholes complicated by the presence of weakly bound rocks prone to hydraulic rupture. Mortar contains, wt %: grouting Portland cement 36.47-57.34, hollow aluminosilicate microspheres 6.47-17.65, carboaluminate additive 1.18-2.67, gypsum 1.18-2.67, and water or 4% calcium chloride solution. mud powder 0.71-1.78, water - the balance. Resulting stone shows expansion factor 0.1 to 0.3. EFFECT: decreased density of grouting mortar and increased strength of stone. 2 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 тампонажный цемент, облегчающую добавку - продукт флотации золы-уноса и воду /А.с. N1573141, кл. E 21 B 33/138, опубл. 23.06.90, бюл. N 23/. Known lightweight grouting mortar, including grouting cement, facilitating the addition of the product of the flotation of fly ash and water / A.C. N1573141, cl. E 21 B 33/138, publ. 06/23/90, bull. N 23 /.

Недостатком известного облегченного тампонажного раствора является отсутствие расширения тампонажного камня, и, как следствие, плохое сцепление камня с колонной, приводящее к межколонным перетокам. A disadvantage of the known lightweight grouting mortar is the lack of expansion of the groutstone, and, as a result, poor adhesion of the stone to the column, leading to cross-column flows.

Наиболее близким по составу и назначению является облегченный тампонажный раствор, содержащий тампонажный портландцемент, золу-унос, гидросил, сульфатсодержащий компонент и воду / А.с. N 1802087, кл. E 21 B 33/138, опубл. 15.03.93, бюл. N 10/. The closest in composition and purpose is a lightweight grouting mortar containing grouting Portland cement, fly ash, hydrosil, sulfate-containing component and water / A. with. N 1802087, cl. E 21 B 33/138, publ. 03/15/93, bull. N 10 /.

Недостатком известного раствора является очень низкая прочность цементного камня, которая составляет 0,6-1,2 МПа при плотности раствора 1,48-1,52 г/см³, поэтому с добавкой золы-уноса невозможно получить тампонажный раствор плотностью менее 1,48 г/см³, удовлетворяющий требованиям ГОСТ.A disadvantage of the known solution is the very low strength of the cement stone, which is 0.6-1.2 MPa with a solution density of 1.48-1.52 g / cm ³ , therefore, with the addition of fly ash it is impossible to obtain a grouting mortar with a density of less than 1.48 g / cm ³ satisfying the requirements of GOST.

Задачей изобретения является повышение качества цементирования скважин за счет подъема облегченного тампонажного раствора в одну ступень до устья как сеноманских, так и валанжинских скважин, и предотвращения тем самым гидроразрыва пласта, который зачастую наблюдается при прямом и обратном цементировании. The objective of the invention is to improve the quality of cementing of wells by raising lightweight cement slurry in one step to the mouth of both Cenomanian and Valanginian wells, and thereby prevent hydraulic fracturing, which is often observed with direct and reverse cementing.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка облегченного расширяющегося тампонажного раствора высокой прочности при снижении плотности раствора до 1,24 г/см³.The technical result of the claimed invention is the development of lightweight expanding cement slurry of high strength while reducing the density of the solution to 1.24 g / cm ³ .

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 облегчающей добавки алюмосиликатные полые микросферы, а в качестве расширяющего компонента - карбоалюминатную добавку и гипс при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент тампонажный - 36,47 - 57,34
Алюмосиликатные полые микросферы - 6,45 - 17,65
Карбоалюминатная добавка - 1,18 - 2,67
Гипс - 1,18 - 2,67
Вода или 4%-ный раствор хлористого кальция - Остальное
Таким образом, сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый облегченный тампонажный раствор отличается от известного введением новых компонентов - алюмосиликатные полые микросферы и карбоалюминатная добавка в смеси с гипсом 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 one, contains aluminosilicate hollow microspheres as a facilitating additive, and a carboaluminate additive and gypsum as an expanding component in the following ratio of ingredients, wt.%:
Portland cement grouting - 36.47 - 57.34
Aluminosilicate hollow microspheres - 6.45 - 17.65
Carboaluminate additive - 1.18 - 2.67
Gypsum - 1.18 - 2.67
Water or 4% Calcium Chloride - 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 - aluminosilicate hollow microspheres and carboaluminate additive in a mixture with 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".

Алюмосиликатные полые микросферы выпускаются по ТУ 21-22-37-94 и представляют собой легкий сыпучий порошок серого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы размером в пределах 30-350 мкм, химический состав оболочки микросфер, мас. %: SiO₂ 50-60; Al₂O₃ 25-35; Fe₂O₃ 1,8-2,0; CaO 1-5; MgO 0,5-1,5; Na₂O 0,3-1,5; K₂O 0,2-2,9. Алюмосиликатные микросферы получают из водной суспензии золы тепловой электростанции и используют при производстве теплоизоляционных материалов.Aluminosilicate hollow microspheres are produced according to TU 21-22-37-94 and are a light loose gray powder, consisting of individual hollow particles of a spherical shape with a size in the range of 30-350 microns, the chemical composition of the shell of the microspheres, wt. %: SiO ₂ 50-60; Al ₂ O ₃ 25-35; Fe ₂ O ₃ 1.8-2.0; CaO 1-5; MgO 0.5-1.5; Na ₂ O 0.3-1.5; K ₂ O 0.2-2.9. Aluminosilicate microspheres are obtained from an aqueous suspension of ash from a thermal power plant and are used in the manufacture of heat-insulating materials.

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.Carboaluminate additive is obtained as a by-product by the method of hydrochemical synthesis from alkaline-carboaluminate solutions and lime in the complex processing of nepheline into higher-grade alumina, soda products and cement. The carboaluminate additive mainly consists 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 hydrocarboaluminate and gypsum with the formation of ettringite.

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. 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 to the required extent, 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.

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 (compositions 1-12) and transcendent values of the ingredients (compositions 13-16) are given in table. 2 and 3.

В представленных экспериментальных данных использовали портландцемент тампонажный ПЦТ 1-50 по ГОСТ 1581-96, алюмосиликатные полые микросферы по ТУ 21-22-37-94, 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 1-50 cement grout was used in accordance with GOST 1581-96, aluminosilicate hollow microspheres in accordance with TU 21-22-37-94, carboaluminate additive in accordance with TU 5743-066-00194027-94, gypsum in accordance with GOST 125-79, chloride calcium according to GOST 450-77 and tap water according to GOST 2874-82.

Сравнение с известным раствором происходит по плотности тампонажного раствора. 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 takes place according to the density of the cement slurry. 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 с ГОСТ 26798.1-96 "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 26798.1-96 "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 - алюмосиликатные полые 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 - aluminosilicate hollow 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 24,2 г карбоалюминатной добавки, смешать ее с 24,2 г гипса и с 436,4 г цемента, затем добавить 121,2 г алюмосиликатных полых микросфер и полученную сухую смесь затворить 394,0 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 через 2 сут. и на расширение через 2, 7 и 14 сут.Example. To prepare 1 kg of cement slurry (composition 8, table 2), it is necessary to take 24.2 g of carboaluminate additive, mix it with 24.2 g of gypsum and 436.4 g of cement, then add 121.2 g of aluminosilicate hollow microspheres and the resulting mix the dry mixture 394.0 g with 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 before 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 after 2 days. and expansion after 2, 7 and 14 days.

Результаты испытаний приведены в табл. 2 и 3. Приготовленный состав 8 имеет плотность 1,40 г/см³, растекаемость 24 см, начало схватывания через 4 ч 05 мин, конец схватывания 5 ч 00 мин, предел прочности камня на изгиб составляет через 2 сут. 2,1 МПа, расширение через 2 сут. составляет 0,22%, через 7 сут. 0,26%, через 14 сут. 0,26%. 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 1.40 g / cm ³ , spreadability 24 cm, setting time after 4 hours 05 minutes, setting time 5 hours 00 minutes, the ultimate strength of the stone in bending is 2 days. 2.1 MPa, expansion after 2 days. is 0.22%, after 7 days. 0.26%, after 14 days. 0.26%. 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 высокой прочностью цементного камня, которая значительно выше, чем у известного раствора. Так, при плотности тампонажного раствора 1,26 г/см³ прочность камня составляет 1,3 МПа (состав 10), тогда как у известного раствора даже при плотности 1,60 г/см³ прочность камня 0,6-1,0 МПа. Кроме того, заявляемый тампонажный раствор обладает значительным расширением. Так, уже через 2 сут. твердения цементный камень имеет расширение от 0,10 до 0,22%, через 7 сут. - от 0,14 до 0,26% и от 0,18 до 0,26% через 14 сут. твердения при граничных значениях портландцемента от 36,47 до 57,34 мас.%, алюмосиликатных полых микросфер от 6,45 до 17,65 мас.%, карбоалюминатной добавки и гипса от 1,18 до 2,67 мас. %, воды или раствора CaCl₂ от 33,33 до 41,18 мас.%. При этом сохраняются основные технологические параметры (сроки схватывания тампонажного раствора и его растекаемость).As can be seen from the tables, the inventive cement slurry has a high strength cement stone, which is significantly higher than that of the known solution. So, when the density of the cement slurry is 1.26 g / cm ^{3, the} strength of the stone is 1.3 MPa (composition 10), while for a known solution, even at a density of 1.60 g / cm ^{3, the} strength of the stone is 0.6-1.0 MPa . In addition, the inventive cement slurry has a significant expansion. So, after 2 days. hardening cement stone has an expansion of 0.10 to 0.22%, after 7 days. - from 0.14 to 0.26% and from 0.18 to 0.26% after 14 days. hardening at boundary values of Portland cement from 36.47 to 57.34 wt.%, aluminosilicate hollow microspheres from 6.45 to 17.65 wt.%, carboaluminate additives and gypsum from 1.18 to 2.67 wt. %, water or a solution of CaCl ₂ from 33.33 to 41.18 wt.%. At the same time, the main technological parameters are preserved (the setting time of the cement slurry and its spreadability).

При содержании в растворе алюмосиликатных полых микросфер менее 6,45 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 17,65 мас.% (состав 14) резко снижается прочность камня на изгиб.When the content in the solution of aluminosilicate hollow microspheres is less than 6.45 wt. % (composition 13 of Table 2) increases the density of cement slurry (1.70 g / cm ³ ), which does not meet the requirements of GOST for lightweight cement grout, and when the content of microspheres exceeds 17.65 wt.% (composition 14), the strength decreases sharply stone to bend.

При увеличении содержания в растворе карбоалюминатной добавки (более 2,67 мас.%) (состав 15 табл. 2 и 3) раствор теряет подвижность (растекаемость 18 см), 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.%) (Composition 15 of Tables 2 and 3), the solution loses mobility (spreadability of 18 cm), and with a reduced content of carboaluminate additive, stone expansion decreases (composition 16).

Предлагаемый тампонажный раствор позволяет повысить качество крепления скважин и предотвратить газонефтепроявления за счет эффекта расширения и более высокой прочности тампонажного камня. The proposed cement slurry can improve the quality of the wells and prevent gas and oil manifestations due to the expansion effect and higher strength of the cement stone.

Claims

A lightweight grouting mortar, including grouting Portland cement, a lightening material, an expanding component and a mixing fluid, characterized in that it contains aluminosilicate hollow microspheres as a flowing additive, and a carboaluminate additive mixed with gypsum in the following ratio of ingredients, wt. %:
Portland cement grouting - 36.47 - 57.34
Aluminosilicate hollow microspheres - 6.45 - 17.65
Carboaluminate additive - 1.18 - 2.67
Gypsum - 1.18 - 2.67
Water or 4% Calcium Chloride - Rest