Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2472835

(19)

RU

(11)

2472835

(13)

C1

(51) МПК C09K8/467 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.01.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011126957/03, 01.07.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

01.07.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 01.07.2011

(45) Опубликовано: 20.01.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2272125 C1, 20.03.2006. EA 003917 B1, 30.10.2003. RU 2268352 C1, 10.01.2002. RU 2000127244 A1, 10.01.2002. RU 2151267 C1, 20.06.2000. RU 2196876 C2, 20.01.2003. EP 1900705 A1, 19.03.2008. EP 1633952 B1, 04.11.2009. US 20040262000 A1, 30.12.2004.

Адрес для переписки:

129337, Москва, Ярославское ш., 26, ГОУ ВПО МГСУ, начальнику отдела реестра и капитализации интеллектуальной собственности г-ну А.В. Степанову

(72) Автор(ы):

Орешкин Дмитрий Владимирович (RU),

Беляев Константин Владимирович (RU),

Семенов Вячеслав Сергеевич (RU),

Кретова Ульяна Евгеньевна (RU),

Макаренкова Юлия Викторовна (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет (МГСУ) (RU)

(54) СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород. Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, модифицирующую добавку, облегчающий наполнитель и жидкость затворения, в качестве модифицирующей добавки содержит комплексную добавку длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756», а в качестве наполнителя - полые керамические микросферы при соотношении ингредиентов, мас.%: тампонажный портландцемент - 38 53,5, полые керамические микросферы - 10,7 22,8, комплексная добавка «Murapor Combi 756» - 0,114 0,16, жидкость затворения - вода или 2-8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция - остальное. Технический результат - повышение эффективности герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления. 3 табл.

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород.

Изобретение направлено на решение задачи по эффективной герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин при креплении с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления в процессе эксплуатации скважин.

Известен тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы и 4%-ный раствор хлорида кальция, дополнительно содержащий понизитель водоотдачи - комплексный реагент ПС при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 52,96-53,09, алюмосиликатные полые микросферы 9,34-9,37, комплексный реагент ПС 0,06-0,31 и 4%-ный раствор хлорида кальция 37,38-37,48. Технический результат - разработка облегченного тампонажного раствора плотностью 1,46 г/см 3 с водоотдачей через глинистую корку 20-30 см 3 за 30 минут (патент RU 2196876 C2, МПК E21B 33/138) - прототип.

Ближайшим аналогом является разработка в патенте RU 2272125 C1 (МПК E21B 33/138). Предложен облегченный тампонажный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 48,46-60,00, алюмосиликатные полые микросферы 6,66-12,11, праестол марки 611 ВС 0,01-0,07, раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см 3 или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см 3 33,33-41,15. Недостатком указанного аналога является повышенная плотность раствора (1200 1400 кг/м 3 ), и, как следствие, высокая теплопроводность камня, не обеспечивающая теплозащиты мерзлых пород вокруг скважины.

В описанных тампонажных растворах содержится до 12,5 мас.% керамических (алюмосиликатных) микросфер, что не позволяет достичь требуемых низких значений теплопроводности влажного тампонажного материала после затвердевания для возможности его использования в качестве теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления при эксплуатации скважины.

Известен также легкий тампонажный цемент (патент RU 2256774 C2, МПК E21B 33/138), применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см 3 , состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который добавляют в количестве 5,0-60,0 мас.% от массы смеси и который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия. Легковесный наполнитель содержит упомянутые компоненты в следующих количествах, мас.%: полые алюмосиликатные микросферы - 80,0-95,0, каолин - 3,0-15,0, поверхностно-активный гидроксид алюминия - 2,0-5,0. В качестве каолина может быть использован один из известных видов вторичных или обогащенных каолинов, содержащий 30,0-45,0 мас.% Al 2 O 3 . Поверхностно-активный гидроксид алюминия может быть получен низкотемпературной карбонизацией алюминатных растворов и имеет удельную поверхность 300-500 м 2 /г. В качестве одной из марок известного цемента используют портландцемент марки ПЦТ 1-50 или ПЦТ 1-100 или любые цементы, применяемые в строительстве. Данное техническое решение отличается от патентуемой сырьевой смеси наличием в составе раствора каолина в количестве до 15% и поверхностно-активного гидроксида алюминия в количестве до 5%.

В патенте RU 2239050 C1 (МПК E21B 33/138) описан состав для получения однородного облегченного тампонажного раствора плотностью до 1200 кг/м 3 , способ приготовления тампонажного раствора смешиванием тампонажного цемента с алюмосиликатными микросферами и затворением на жидкости. Предварительно смешивают с микросферами сухой порошкообразный полимерный понизитель водоотдачи в соотношении к массе тампонажного цемента, мас.%: микросферы 10-45, понизитель водоотдачи 0,15-0,45, смесь этих добавок перемешивают с указанным цементом и затем затворяют на жидкости - предварительно приготовленном 0,02-0,08% растворе пеногасителя трибутилфосфата при водотвердом отношении 0,6-0,85. В качестве сухих порошкообразных полимерных понизителей водоотдачи используют сульфоцелл, камцелл, оксиэтилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиакриламид. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер (до 45% от массы портландцемента) и видом модификаторов.

Состав тампонажного раствора аналогичной плотности представлен в патенте RU 2151267 C1 (МПК E21B 33/138): портландцемент тампонажный 38,89-58,07; алюмосиликатные полые микросферы 6,45-17,14; глинопорошок 0,71-1,78; вода остальное. При затворении тампонажного раствора с облегчающей добавкой - алюмосиликатными полыми микросферами на глинистой суспензии, содержащей глинопорошок и воду, достигается технический результат - снижение плотности тампонажного раствора до 1,25 г/см 3 при одновременном увеличении растекаемости раствора, улучшении седиментационной устойчивости и обеспечении остальных технологических параметров раствора и камня. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер, наличием в составе глинопорошка (до 1,78%) и отсутствием модификаторов.

В патенте EA 003917 B1 (МПК C04B 22/14; C04B 28/02; C04B 28/02) представлен состав облегченного раствора для цементирования нефтяных скважин плотностью в интервале 900 1300 кг/м 3 . Сырьевая смесь содержит 60 90% (об.) легковесных частиц с размером от 20 мкм до 350 мкм; 10 30% (об.) микроцемента с размером частиц 0,5 5 мкм; 0 20% (об.) с размером частиц 20 50 мкм; 0 30% (об.) гипса. Цементный камень характеризуется пористостью менее 45%. Для получения облегченного раствора могут использоваться полые микросферы, в особенности ценосферы, полые стеклянные микросферы из алюмонатрийборосиликатного стекла, керамические микросферы, полипропиленовые гранулы. Кроме того, указанные растворы могут содержать в своем составе одну или несколько нижеперечисленных добавок: диспергаторы, противоморозные добавки, водоредуцирующие добавки, ускорители и замедлители схватывания, пеногасители. Соотношение компонентов облегчающий наполнитель:микроцемент находится в следующих пределах - от 70:30 до 85:15. При этом процентное соотношение компонентов смеси (по объему) составляет: облегчающий наполнитель с диаметром частиц 100 400 мкм - 50 60%, облегчающий наполнитель с размером частиц 20 40 мкм - 35 40%; микроцемент - 5 20%. Главное отличие данной разработки от патентуемой сырьевой смеси - наличие в составе микроцемента (до 20 об.%) и гипса (до 30 об.%).

Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора включает в себя: тампонажный портландцемент, облегчающий наполнитель (полые керамические микросферы), комплексную добавку и жидкость затворения.

В качестве вяжущего вещества используются портландцементы тампонажные по ГОСТ 1581-96. При нормальных температурах (15 50°C) рекомендуется применять портландцемент тампонажный ПЦТ-I-50 и ПЦТ-II-50, а при умеренных (50 100°C) - ПЦТ-I-100 и ПЦТ-II-100.

Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы - КМС производства Фирмы «Стройтек» (г.Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320 370 кг/м 3 . Истинная средняя плотность - 750 кг/м 3 . Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м 3 . Диапазон размеров находится в пределах 40 100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, теплопроводность микросфер 0,08 Вт/м·°C при 20°C. Состав внутренней газовой фазы CO 2 ~70%, N 2 ~30%. Предел прочности на сжатие - 15 29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5 6.

В качестве модификатора использовалась комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756» фирмы «MC-Bauchenie Russia» средней плотностью 1,14 1,155 кг/дм 3 . Комплексная добавка состоит из пластифицирующего компонента на основе сульфированного нафталинформальдегида, воздухововлекающего компонента - лаурилсульфатнатрия и замедлителя схватывания на основе нитрилотриметилфосфоновой кислоты.

В качестве жидкости затворения используется вода или 2 8%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия.

Расход КМС варьируется в пределах от 20 до 60% от массы портландцемента, расход модификатора 0,15 0,3% от массы портландцемента. Водоцементное отношение в пределах 0,67 1,03.

Таким образом, с учетом водоцементного отношения и расхода микросфер, соотношение компонентов раствора в % от массы сырьевой смеси следующее:

Тампонажный портландцемент

38 53,5%

Полые керамические микросферы

10,7 22,8%

Комплексная добавка «Murapor Combi 756»

0,114 0,16%

Жидкость затворения (вода или 2-8% раствор

хлорида натрия или хлорида кальция)

Остальное

Таблица 1

Составы и свойства облегченных тампонажных растворов с полыми керамическими микросферами

Доля компонентов раствора (% от массы цемента)

Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси)

В/Ц

р , кг/м 3

Сроки схватывания, ч-мин

ПЦТ

КМС

Вода 1

МК

ПЦТ

КМС

Вода 1

МК

начало

конец

1

100

20

67

0,3

53,47

10,69

35,68

0,16

0,67

1305

2-00

3-05

2

100

30

74

0,3

49,02

14,71

36,123

0,147

0,74

1205

3-05

4-10

3

100

40

85

0,3

44,44

17,78

37,647

0,133

0,85

1119

3-10

4-15

4

100

50

94

0,3

40,98

20,49

38,407

0,123

0,94

1057

3-10

4-40

5

100

60

103

0,3

38,02

22,81

39,056

0,114

1,03

1010

3-15

5-20

6

100

20

67(2)

0,3

53,47

10,69

35,68

0,16

0,67

1309

1-50

3-00

7

100

20

67(8)

0,3

53,47

10,69

35,68

0,16

0,67

1313

1-40

2-45

8

100

40

85(2)

0,3

44,44

17,78

37,647

0,133

0,85

1124

3-00

4-00

9

100

40

85(8)

0,3

44,44

17,78

37,647

0,133

0,85

1128

2-50

3-45

10

100

60

103(2)

0,3

38,02

22,81

39,056

0,114

1,03

1016

3-05

5-00

11

100

60

103(8)

0,3

38,02

22,81

39,056

0,114

1,03

1020

2-45

4-40

12

прототип

52,96

9,34

37,64 2

0,06 3

0,66

1464

1-20

2-10

Примечания: p - средняя плотность раствора;

«МК» - комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756».

1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).

2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.

3 - комплексный реагент ПС.

Таблица 2

Физико-механические и теплофизические характеристики облегченного тампонажного камня с керамическими микросферами

п/п

Состав раствора, мас.%

p , кг/м 3

к , кг/м 3

R b , МПа

R btf , МПа

R сц , МПа

, Вт/(м·°C)

выс , Вт/(м·°C)

ПЦТ - 53,47

1

КМС - 10,69

1305

1300

3,36

1,4

2,3

0,54

0,26

МК - 0,16

Вода - 35,68

ПЦТ - 49,02

2

КМС - 14,71

1205

1180

3,5

1,4

1,7

0,44

0,09

МК - 0,147

Вода - 36,123

ПЦТ - 44,44

3

КМС - 17,78

1119

1108

3,54

1,3

1,5

0,45

0,10

МК - 0,133

Вода - 37,647

ПЦТ - 40,98

4

КМС - 20,49

1057

1028

2,95

1,27

1,1

0,38

0,088

МК - 0,123

Вода - 38,407

ПЦТ - 38,02

5

КМС - 22,81

1010

970

2,6

1,25

1,03

0,32

0,085

МК - 0,114

Вода - 39,056

ПЦТ - 53,47

6

КМС - 10,69

1309

1301

3,6

1,5

2,31

0,53

0,26

МК - 0,16

Вода 1 - 35,68

ПЦТ - 53,47

7

КМС - 10,69

1313

1303

3,5

1,45

2,28

0,52

0,256

МК - 0,16

Вода 1 - 35,68

ПЦТ - 44,44

КМС - 17,78

1124

1108

3,45

1,28

1,45

0,44

0,11

МК - 0,133

Вода 1 - 37,647

ПЦТ - 44,44

9

КМС - 17,78

1128

1112

3,35

1,32

1,4

0,43

0,112

МК - 0,133

Вода 1 - 37,647

ПЦТ - 38,02

КМС - 22,81

1016

976

2,5

1,22

1,05

0,33

0,086

10

МК - 0,114

Вода 1 - 39,056

ПЦТ - 38,02

11

КМС - 22,81

1020

980

2,55

1,2

1,0

0,325

0,087

МК - 0,114

Вода 1 - 39,056

Прототип:

ПЦТ - 52,96

12

КМС 4 - 9,34

1464

1450

3,92

1,5

2,15

0,69

0,38

Вода 2 - 37,64

ПС 3 - 0,06

Примечания: p - средняя плотность раствора;

к - средняя плотность камня;

R b - предел прочности на сжатие;

R btf - предел прочности на растяжение при изгибе;

R сц - прочность сцепления со сталью;

- теплопроводность камня во влажном состоянии;

выс - теплопроводность камня в высушенном состоянии.

1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).

2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.

3 - комплексный реагент ПС.

4 - алюмосиликатные полые микросферы.

Облегченный тампонажный материал с керамическими микросферами приготавливается и закачивается с использованием традиционного цементировочного оборудования.

Технический эффект - получение облегченного тампонажного раствора с КМС средней плотностью 1010 1300 кг/м 3 в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью тампонажного камня на растяжение при изгибе - не ниже 1,2 МПа в возрасте 2 сут. Коэффициент теплопроводности тампонажного камня в сухом состоянии 0,085 0,26 Вт/(м·°C).

Облегченные теплоизоляционные тампонажные растворы с КМС имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие растворы не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства

Таблица 3

Основные свойства тампонажных растворов с КМС

Средняя плотность раствора, кг/м 3

1000

1100

1200

1300

Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м 3

800

900

1000

1100

Прочность при сжатии, МПа, не менее

2,6

2,8

6,5

7,5

Прочность при изгибе, МПа, не менее

1,2

1,3

1,5

2

Морозостойкость, циклы, не менее

35

50

75

75

Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м·°C

0,085

0,09

0,11

0,20

тампонажных материалов предлагаемых составов выгодно отличаются от облегченных тампонажных материалов с фильтроперлитом - ФП, вспученным вермикулитовым песком - ВВП, вспученным перлитовым песком - ВПП, полимерными полыми микросферами - ПМС и полыми стеклянными микросферами - ПСМС.

По сравнению с ближайшим аналогом достигнут технический результат, заключающийся в пониженной плотности раствора 1000 кг/м 3 против 1300 кг/м 3 у аналога, при сохранении прочности на сжатие и изгиб. За счет этого снижается теплопроводность тампонажного камня, что обеспечивает предотвращение растепления горных пород вокруг скважины.

Разработанный раствор можно использовать в качестве пассивной теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления и, одновременно, как тампонажный материал в различных горно-геологических условиях.

Применение предлагаемого теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Формула изобретения

Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, модифицирующую добавку, облегчающий наполнитель и жидкость затворения, отличающаяся тем, что в качестве модифицирующей добавки содержит комплексную добавку длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756», а в качестве наполнителя - полые керамические микросферы при соотношении ингредиентов, мас.%:

Тампонажный портландцемент

38 53,5

Полые керамические микросферы

10,7 22,8

Комплексная добавка «Murapor Combi 756»

0,114 0,16

Жидкость затворения - вода или 2-8%-ный раствор

хлорида натрия или хлорида кальция

Остальное