RU2165006C1

RU2165006C1 - Thinned plugging composition

Info

Publication number: RU2165006C1
Application number: RU99117752/03A
Authority: RU
Inventors: гин А.И. Остр; А.И. Острягин; В.Г. Романов; А.С. Рекин; бова Л.И. Р; Л.И. Рябова
Original assignee: Острягин Анатолий Иванович; Романов Вячеслав Григорьевич; Рекин Александр Сергеевич; Рябова Любовь Ивановна
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: oil and gas production. SUBSTANCE: aqueous composition containing 38.78-51.58% Portland cement, 6.39-17.80% thinning and expanding additive (hollow microspheres with 80-90% aluminosilicate component) additionally includes 10-20% aluminum hydroxychloride. EFFECT: achieved expansion effect in early period of cement stone formation owing to increased sedimentation stability of solution. 2 tbl

Description

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин с АНПД, а именно к тампонажным растворам с высокими изолирующими свойствами. The invention relates to the fastening of oil and gas wells with AIP, and in particular to cement slurries with high insulating properties.

Известно получение облегченных тампонажных растворов с применением газонаполненных добавок, содержащих в своем составе кремнезем в аморфном состоянии, изготовленных из натриево-борсиликатного стекла (10-15% к массе портландцемента) (Вяхерев В.И., Фролов А.А., Овчинников В.П. и др. "Использование газонаполненных кремнийсодержащих материалов в качестве облегчающей добавки" // Межвузовский сб. Тр. - Тюмень: Тюм. ГНГУ, 1997). It is known to obtain lightweight cement slurries using gas-filled additives containing silica in an amorphous state, made from sodium borosilicate glass (10-15% by weight of Portland cement) (Vyachev V.I., Frolov A.A., Ovchinnikov V. P. et al. "The use of gas-filled silicon-containing materials as a facilitating additive" // Interuniversity collection Tr. - Tyumen: Tyum. GNU, 1997).

Однако эти полые частички не выдерживают все давление при закачке раствора в скважину, что делает раствор не седиментационно устойчивым и изменяет расчетную плотность раствора. Кроме того, эти системы не вызывают расширения при твердении тампонажного раствора в ранние сроки. Эти микросферы имеют высокую стоимость, обусловленную сложностью процесса изготовления и большими энергозатратами. However, these hollow particles do not withstand all the pressure when injecting the solution into the well, which makes the solution not sedimentation stable and changes the calculated density of the solution. In addition, these systems do not cause expansion when hardening cement slurry in the early stages. These microspheres have a high cost, due to the complexity of the manufacturing process and high energy consumption.

Известна расширяющая тампонажная смесь (SU 1705209, E 21 В 33/138, Б.И. N 2, 1993), включающая в себя портландцемент 60-80%, сланцевую золу 15-35% и инициатор расширения - продукт обжига карбонатных пород 2-10%. Known expanding grouting mixture (SU 1705209, E 21 B 33/138, B.I. N 2, 1993), including Portland cement 60-80%, shale ash 15-35% and the initiator of expansion is the product of calcination of carbonate rocks 2- 10%.

Данная смесь при низких плотностях раствора не обладает седиментационной устойчивостью и эффектом расширения при твердении в ранние сроки твердения. This mixture at low densities of the solution does not have sedimentation stability and the expansion effect during hardening in the early stages of hardening.

Известна облегченная тампонажная композиция, содержащая портландцемент, полые микросферы и воду. Причем указанные микросферы входят в состав золы ТЭС и являются облегчающей добавкой (патент US N 4305758, опубл. 15.12.1981, прототип). Known lightweight grouting composition containing Portland cement, hollow microspheres and water. Moreover, these microspheres are part of the ash TPP and are a lightening additive (US patent N 4305758, publ. 15.12.1981, prototype).

Задачей изобретения является разработка облегченного седиментационно-устойчивого тампонажного раствора, позволяющего цементировать скважины с АНПД в один прием и обеспечивающего эффект расширения в начальный период формирования цементного камня. The objective of the invention is the development of lightweight sedimentation-stable cement slurry, allowing cementing wells with AIP in one go and providing the effect of expansion in the initial period of formation of cement stone.

Сущность изобретения заключается в том, что тампонажная композиция содержит портландцемент, облегчающую добавку с эффектом расширения - полые микросферы и воду, причем облегчающая добавка состоит из полых микросфер алюмосиликатных по составу 80-90 мас.% и дополнительно содержит гидрооксихлорид алюминия 10-20 мac. % при следующих соотношениях компонентов в тампонажной композиции, мас. % портландцемент 38,73-51,58; облегчающая добавка 6,39-17,80; вода - остальное. The essence of the invention lies in the fact that the grouting composition contains Portland cement, which facilitates the expansion effect — hollow microspheres and water, the facilitating additive consists of hollow aluminosilicate microspheres with a composition of 80-90 wt.% And additionally contains aluminum hydroxychloride of 10-20 wt. % with the following ratios of components in the grouting composition, wt. % Portland cement 38.73-51.58; lightweight additive 6.39-17.80; water is the rest.

Первый компонент, входящий в облегченную добавку - микросферы. Они являются отходами ТЭС, работающих на углях с высоким содержанием железа в минеральной части и отделенные от золы уноса. The first component included in the lightweight supplement is microspheres. They are waste from thermal power plants operating on coal with a high iron content in the mineral part and separated from fly ash.

Образование алюмосиликатных пустотелых микросфер (АСПМ) происходит при температурах порядка 1400^oC и связано с процессом каталитического восстановления окиси железа до ее закисной формы, при котором выделяется углекислый газ, вспучивающий алюмосиликатную частицу.The formation of aluminosilicate hollow microspheres (ASPM) occurs at temperatures of about 1400 ^o C and is associated with the process of catalytic reduction of iron oxide to its acidic form, in which carbon dioxide is released, swelling aluminosilicate particle.

В опытах использованы АСПМ Новочеркасской ГРЭС. The experiments used AFP Novocherkasskaya state district power station.

Химический состав (%): SiO - 52,8, Al₂O₃ - 30,6, Fe₂O₃ - 4,2, MgO - 1,6, CaO - 0,8, K₂O - 6,2, Na₂O - 1,0, это легкий сыпучий порошок серого цвета, состоящий из отдельных полых частиц с толщиной стенок 2-10 мкм и сферической формы. Истинная плотность их зависит от влажности и составляет 400-500 кг/см³.Chemical composition (%): SiO - 52.8, Al ₂ O ₃ - 30.6, Fe ₂ O ₃ - 4.2, MgO - 1.6, CaO - 0.8, K ₂ O - 6.2, Na ₂ O - 1.0, it is a light, loose gray powder, consisting of individual hollow particles with a wall thickness of 2-10 microns and a spherical shape. Their true density depends on humidity and is 400-500 kg / cm ³ .

Вторым компонентом является гидрооксихлорид алюминия - ГОХА. The second component is aluminum hydroxychloride - GOA.

Это высокоосновная и низкоосновная формы алюминия (5/6 ОХА и 3/5 ОХА) в соотношении 1:1. Получают из отходов алюминиевых производств и изготавливают по ТУ 6-01-1-373-87 на Бокситогорском заводе. Может выпускаться в виде жидкости (-10%), пасты (35%) или сухого порошка. Хорошо растворим в воде и представляющий в ней полимер-электролитный состав
([Al₂(OH)₅Cl]_x·(1,68)· nH₂O;
[Al(ОН)₃(ОН₂)₃]; [Al(ОН)₃]_n·nH₂O; AlCl₃
Реагент готовится следующим образом: берем расчетное количество гидрооксихлорида алюминия в пересчете на Al₂O₃ (30% раствор) и постепенно вводим расчетное количество алюмосиликатных микросфер. Получаем работоспособный реагент с 80-90 мас.% микросфер, которые покрыты адсорбированным слоем гидрооксихлорида алюминия (10-20 мас.%). Высушиваем и получаем готовую комплексную добавку. Более полное соотношение гидроксихлоридов алюминия и микросфер, способ их приготовления авторами не раскрывается, так как представляет "ноу-хау".These are highly basic and low basic forms of aluminum (5/6 OXA and 3/5 OXA) in a 1: 1 ratio. Received from waste from aluminum production and manufactured according to TU 6-01-1-373-87 at Boksitogorsk plant. It can be produced in the form of a liquid (-10%), paste (35%) or dry powder. It is soluble in water and its polymer-electrolyte composition
([Al ₂ (OH) ₅ Cl] _x · (1.68) · nH ₂ O;
[Al (OH) ₃ (OH ₂ ) ₃ ]; [Al (OH) ₃ ] _n · nH ₂ O; AlCl ₃
The reagent is prepared as follows: we take the calculated amount of aluminum hydroxychloride in terms of Al ₂ O ₃ (30% solution) and gradually introduce the calculated amount of aluminosilicate microspheres. We obtain a workable reagent with 80-90 wt.% Microspheres, which are coated with an adsorbed layer of aluminum hydroxychloride (10-20 wt.%). We dry and get a ready-made complex additive. A more complete ratio of aluminum hydroxychlorides and microspheres, the method of their preparation by the authors is not disclosed, as it represents "know-how".

Увеличение количества микросфер приводит к повышению начальной консистенции тампонажного раствора, сокращает сроки его схватывания, что требует ввода пластификатора для обеспечения прокачиваемости. An increase in the number of microspheres leads to an increase in the initial consistency of grouting mortar, reduces the time of its setting, which requires the introduction of a plasticizer to ensure pumpability.

При соотношениях, указанных в табл. 1, получаем стабильные растворы, которые сохраняют свою плотность под давлением, практически несжимаемы. Эффект расширения тампонажной системы наступает в период еще не сформировавшейся жесткой структуры, что эффективно сказывается на качестве крепления скважин. With the ratios indicated in the table. 1, we obtain stable solutions that retain their density under pressure and are practically incompressible. The effect of the expansion of the grouting system occurs during the period of the still not formed rigid structure, which effectively affects the quality of the well attachment.

Процесс расширения связан не только с химическим взаимодействием алюминатной составляющей и образованием алюминатов кальция, но и с состоянием воды и водородных связей, которые заложены в самой добавке при посадке гидроалюмината на поверхность алюмосиликатных микросфер. Предложенная добавка управляет и оптимизирует гидратацию цемента и расширение тампонажной композиции в период пластической вязкости, которое не должно превышать 1,5% (по Т.В. Кузнецовой). Кроме того, введение комплексной добавки в цементный раствор, приводит к уменьшению количества вяжущего, что снижает контракционные явления, сохраняя седиментационную устойчивость при сохранении расширения 0,4-0,9%. Расширение в период сформировавшейся жесткой структуры приводит к появлению трещин в цементном камне и его разрушению в цементном камне после 3 мес. твердения, что и наблюдается в прототипе. The expansion process is associated not only with the chemical interaction of the aluminate component and the formation of calcium aluminates, but also with the state of water and hydrogen bonds, which are incorporated in the additive itself when the hydroaluminate is planted on the surface of aluminosilicate microspheres. The proposed additive controls and optimizes the hydration of cement and the expansion of the cement composition during the period of plastic viscosity, which should not exceed 1.5% (according to T.V. Kuznetsova). In addition, the introduction of a complex additive in cement mortar leads to a decrease in the amount of binder, which reduces contracting phenomena, while maintaining sedimentation stability while maintaining an expansion of 0.4-0.9%. The expansion during the period of the formed rigid structure leads to the appearance of cracks in the cement stone and its destruction in the cement stone after 3 months. hardening, which is observed in the prototype.

Использование данной добавки в тампонажных растворах позволяет ускорить образование эттрингита и продуктов гидратации по донорно-акцепторному механизму, который придает жесткость контактам сцепления эттрингита с матрицей и продуктов гидратации. Растущий кристалл, оказываясь фиксированным, начинает реализовывать давление роста, вызывая тем самым изменение объема цементного раствора - камня. The use of this additive in grouting mortars makes it possible to accelerate the formation of ettringite and hydration products by the donor-acceptor mechanism, which makes the etchringite matrix matrix and hydration products stiffened. The growing crystal, being fixed, begins to realize the growth pressure, thereby causing a change in the volume of the cement mortar - stone.

Поэтому процесс расширения связан и с характером и свойствами водородных связей цементного раствора - камня. Therefore, the expansion process is associated with the nature and properties of the hydrogen bonds of the cement mortar - stone.

Тампонажный раствор готовится в два этапа. Расчетное количество реагента растворяют в жидкости затворения, вводят вначале 1/2 цемента и тщательно перемешивают. Затем вводят оставшуюся часть вяжущего и готовят раствор согласно ГОСТу. Cement slurry is prepared in two stages. The calculated amount of reagent is dissolved in a mixing liquid, 1/2 cement is first introduced and mixed thoroughly. Then the remainder of the binder is introduced and the solution is prepared according to GOST.

Растекаемость определяют по конусу АзНИИ. Из этого раствора готовят призмы 2·2·10 см, которые твердеют в воде при соответствующих температурах и давлении. Spreadability is determined by the cone of AzNII. From this solution, prisms 2 · 2 · 10 cm are prepared, which harden in water at appropriate temperatures and pressures.

Сроки схватывания определяют с помощью автоклавов или иглы Вика. Объемные измерения с помощью приставки прибора "Хеплера". The setting time is determined using autoclaves or a Vic needle. Volumetric measurements using the Hepler device attachment.

Пример 1 (табл. 2). Example 1 (table. 2).

Берут 42 мл воды, вводят 17,8 г добавки (состав N 1 из табл. 1), растворяют и вводят 20,1 г цемента (1/2), размещают и вводят оставшуюся часть цемента и перемешивают в течение 3 мин. Затем определяют растекаемость тампонажного раствора - 20 см, плотность его - 1,21 г/см³, водоотстой - 0, объемное расширение - 1,09.Take 42 ml of water, inject 17.8 g of the additive (composition No. 1 from table. 1), dissolve and inject 20.1 g of cement (1/2), place and inject the rest of the cement and mix for 3 minutes. Then determine the spreadability of the cement slurry - 20 cm, its density - 1.21 g / cm ³ , sludge - 0, volumetric expansion - 1.09.

Формируется малопроницаемый цементный камень. Наличие силикатной и алюминатной фаз в составе вводимой добавки способствует ее участию в формировании структуры цементного камня, приводя к дополнительному повышению его прочности и расширению на ранних стадиях твердения. Несмотря на повышенное водосмесевое отношение, растворы обладают нулевым водоотстоем, имеют повышенную седиментационную устойчивость. В результате обеспечивается более плотный контакт между формирующимся цементным камнем, обсадной колонной и горной породой, в результате чего повышается качество изоляции скважин. A low permeability cement stone is formed. The presence of silicate and aluminate phases in the composition of the added additive promotes its participation in the formation of the structure of cement stone, leading to an additional increase in its strength and expansion in the early stages of hardening. Despite the increased water-water ratio, the solutions have zero water sludge and have increased sedimentation stability. The result is a more tight contact between the forming cement stone, casing and rock, resulting in improved quality of well isolation.

Claims

Lightweight grouting composition containing Portland cement, a lightweight additive with the expansion effect - hollow microspheres and water, characterized in that the lightweight additive consists of hollow aluminosilicate microspheres in composition of 80 - 90 wt.% And additionally contains aluminum hydroxychloride of 10 - 20 wt. % with the following ratios of components in the grouting composition, wt.%:
Portland cement - 38.78 - 51.58
Lightweight supplement - 6.39 - 17.80
Water - Else