Полегшений тампонажний цемент

Изобретение относится к тампонажным цементам для крепления нефтяных и газовых скважин с низким пластовым давлением при наличии зон поглощений и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности. Известны облегченные тампонажные цементы, содержание клинкер и минеральную добавку в качестве которой могут использоваться опока, диатомит и др. [1]. Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является состав для приготовления тампонажного вяжущего [2], содержащий цементный клинкер, гипс и цеолитовую породу при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: Цементный клинкер 50,00-66,61 Гипс 10,52-27,78 Цеолитовая порода 16,66-36,85 Данный состав получается путем совместного размола составных частей до удельной поверхности 300 м2/кг. Однако такой состав обладает рядом существенных недостатков, а именно: 1) не позволяет получать тампонажные растворы плотностью ниже 1520 кг/м3 при прочности цементного камня, удовлетворяющей требованиям НТД ГОСТ 1581-91) - не менее 0,7 МПа при 22°С; 2) из-за высокого содержания гипса, как ускорителя сроков схватывания для низких температур [1], прочность цементного камня существенно снижается (с 2,05 МПа при плотности 1660 кг/м3 до 0,63 МПа при плотности 1510 кг/м3 [2], что сужает температурный диапазон применения данного вяжущего и делает затруднительным его применение в водонасыщенных пластах [1]. Кроме того, широкий ассортимент цеолитовых пород дает большой разброс в технических характеристиках получаемых тампонажных цементов. Отметим также, что состав-прототип не удовлетворяет требованиям НТД к содержанию сульфатов (не более 3,5% в расчете на SO3) [1]. Задачей предлагаемого изобретения является создание тампонажного цемента посредством изменения количественного и корректировки качественного составов, который позволил бы расширить диапазон температурного режима и интервал плотностей тампонажного раствора в сторону их снижения до плотности 1400 кг/м3 при сохранении удовлетворяющей требованиям НТД прочности цементного камня и оптимальных реологических параметрах цементного теста. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый облегченный тампонажный цемент, включающий цементный клинкер, цеолитовую породу и гипс, в качестве цеолитовой породы содержит цеолитизированный туф с содержанием влаги 2-5%, при следующих соотношениях ингредиентов, мас. %: Цементный клинкер 38,9-58,1 Цеолитизированный туф 58,1-38,9 Гипс 2-4 Цеолитизированные туфы представляют собой пористые алюмосиликаты, являющиеся хорошими адсорбентами. Наличие их в цементе способствует интенсивному механическому и химическому связыванию воды при его затворении, ускоряет процесс гидратации цемента с образованием значительного количества трехканального алюмината. Последний в свою очередь ускоряет схватывание и твердение тампонажного раствора при низких температурах, что исключает водоотделение из раствора и усадку затвердевшего цементного камня, а также способствует быстрому росту прочности в ранние сроки твердения. Изобретение может быть реализовано на цементных заводах, что подтверждается выпуском и предварительными испытаниями опытной партии облегченного тампонажного цемента. Пример конкретного выполнения. Тампонажный цемент приготавливают путем совместного помола 58,1 мас. % цементного клинкер, 38,9 мас. % цеолитизированного туфа и 3 мас. % гипса в заводской мельнице до удельной поверхности равной 300-400 м2/кг (остаток на сите 008 не должен превышать 15%). Аналогичным образом готовят цемент других составов (см. табл. 2). Химический состав цементного клинкера и цеолитизированного туфа приведен в таблице 1. В таблице 2 показана зависимость реологических параметров тампонажных растворов и прочности цементного камня для цемента с содержанием гипса 3% от соотношения масс клинкера и цеолитизированного туфа. Для сравнения в первой строке таблицы 2 приведены те же параметры для прототипа. Из таблицы 2 видно, что безусадочный цементный камень получается при содержании цеолитизированного туфа свыше 38,9 мас. %, однако область оптимальной прочности цементного камня есть 38,9-58,1 мас. %. Эта оптимальная прочность отвечает требованиям НТД и превышает прочность прототипа в 1,2 раза, если предположить, что он твердел при температуре 22°С и в 4,7 раза, если предположить, что он твердел при температуре 75°С. Тампонажный цемент, предлагаемого состава, полностью удовлетворяет требования НТД по содержанию сульфатов в пересчете на SO3. Кроме того, из данного клинкера можно получать тампонажные растворы плотностью 1400 кг/м3, хотя нижнийпредел температур применения такого раствора будет выше 30°С, поскольку при этой температуре достигается требуемая НТД прочность цементного камня. Влияние добавки гипса, служащего регулятором сроков схватывания на прочность цементного камня и реологические параметры тампонажных растворов плотностью 1500 кг/м3 показано в табл. 3. Из таблицы 3 видно, что увеличение содержания гипса от 2 до 4% ускоряет схватывание и увеличивает прочность цементного камня. Однако добавления гипса в количестве сверх 4% нецелесообразно в силу снижения прочности цементного камня. При увеличении или уменьшении водоцементного фактора из разработанного цемента при оптимальном соотношении составных частей можно получить безусадочные облегченные тампонажные растворы с плотностью 1400-1550 кг/м3 с прочностью цементного камня при изгибе, удовлетворяющей требованиям НТД (для плотности 1400 кг/м3 - при температурах выше 30°С), в то время как из состава-прототипа можно получать тампонажные растворы с удовлетворительной прочностью цементного камня только при плотностях 1520 кг/м3 и выше. Кроме того (см. табл. 4) установлено, что при увеличении содержания влаги в цеолит, туфе до 5% прочность цементного камня возрастает, но при дальнейшем увеличении - падает. Это происходит потому, что при увеличении влажности цеолитизированного туфа увеличивается скорость образования гидросиликатов кальция и на исходных частицах цемента возникает поверхностный слой, тормозящий дальнейшую гидратацию, что приводит к снижению прочности цементного камня. Скорость образования гидросиликатов кальция увеличивается также при увеличении температуры сушки цеолитизированного туфа сверх 300°С, что также приводит к снижению прочности цементного камня. Таким образом, исходя из результатов исследований и требований технологичности процесса, при помоле цемента целесообразно применение цеолитизированного туфа с содержанием влаги 2-5%, высушенного при температуре 200-300°С. Предлагаемый состав облегченного тампонажного цемента дает возможность получать качественные растворы плотностью 1400-1550 кг/м3 и безусадочный цементный камень с прочностью в 1,2-4,7 раза выше в сравнении с прототипом, а также расширить диапазон температур их применения. Таблица 1 Наименование сырья Цементный клинкер Цеолитизированный туф SiO2 21,4 ,69,43 Химический состав клинкера и цеолитизированного туфа Аl2O3 Fe2O3 TiO2 MnO MgO Р2O5 CaO K2O 6,05 4,14 64,6 13,04 1,05 0,18 0,03 0,17 0,03 2,1 2,64 Na2O 2,06 Таблица 2 Массовая доля в тампонажном цементе, мас. % Клинкер цементный 45,44 19,4 29,1 38,9 48,5 58,1 67,9 77,6 48,5 Гипс 22,72 3 3 3 3 3 3 3 3 Параметры раствора Цеолитовая Плотность, порода кг/м3 31,84 1510 1500 77,6 1500 67,9 1500 58,1 1500 48,5 1500 38,9 1500 29,1 1500 19,4 1400 48,5 В/Ц 0,66 0,88 0,83 0,86 0,87 0,88 0,9 0,95 1,18 Предел прочности при изгибе через 48ч, МПа при температуре 22 75 Усадка, Нестекае Водоотде % мость, см ление, % 18,0 0,0 0,63 1,27 0,2 0,0 18,0 0 1,9 0,45 0,0 20,0 0 2,73 0,55 0,0 23.0 0 3,0 0,7 0,0 25,0 0 2,33 0,75 0,5 25,0 0 2,11 0,87 4,0 25,0 3 1,67 1,0 10,0 25,0 6 2,05 0,22 2,5 25,0 0 Таблица 3 Состав тампонажного цемента, мас. % Клинкер Цеолит. Гипс цементный туф 50 50 0 49 49 2 48,5 48,5 3 48 48 4 47,5 47,5 5 47 47 6 Сроки схватывания, час-мин начало 22°С 75°С 28 3-20 23 2-10 16-20 2-00 14-10 1-50 13-30 2-00 13-20 2-10 Предел прочности при изгибе через 48 ч. МПа 22°С 75°С конец 22°С 37 30 23 20-20 19-00 18-50 75°С 4-20 2-50 2-40 2-40 2-35 2-45 0,36 0,41 0,69 0,7 0,6 0,57 1,75 2,59 3,21 2,94 3,05 2,9 Таблица 4 Температура сушки, °С Содержание влаги, % 200 0 1 2 3 5 6,67 0 1,2 3 5 9,17 300 Предел прочности цементного камня при изгибе через 48 час., МПа при температуре 22°С 75°С 0,52 2,17 0,55 2,30 0,6 2,31 0,66 2,58 0,68 2,89 0,61 2,42 0,26 1,78 0,37 1,8 0,53 2,63 0,63 2,85 0,5 2,21