RU2111340C1

RU2111340C1 - Grouting material

Info

Publication number: RU2111340C1
Application number: RU96111404A
Authority: RU
Inventors: П.Ф. Цыцымушкин; С.Р. Хайруллин; Н.А. Гафаров; С.Н. Горонович; Н.Х. Каримов; И.В. Белов; Р.А. Шамсиев
Original assignee: Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт предприятия "Оренбурггазпром" РАО "Газпром"; Дочернее предприятие "Оренбурггазпром" РАО "Газпром"
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-05-20
Also published as: RU96111404A

Abstract

FIELD: geology; drilling practice; mining industry. SUBSTANCE: grouting material comprises Portland cement and slag as mineral additive. In its turn, Portland cement comprises Portland cement clinker and gypsum. As mineral additive, material uses crushed slag resulting from nickel production, said components are taken in the following ratio, wt.-%: Portland cement clinker, 76-80; gypsum, 4-5; crushed nickel slag, 15-20. EFFECT: reliable sealing of space around and behind drill pipe string; thermal stability for prolonged period; extended service life of bore hole support and increased production capacity. 1 tbl

Description

Изобретение относится к тампонажным материалам, предназначенным для цементирования нефтяных и газовых скважин в условиях одновременного воздействия низких температур на устье и повышенных температур на забое скважин. The invention relates to cementing materials intended for cementing oil and gas wells under conditions of simultaneous exposure to low temperatures at the wellhead and elevated temperatures at the bottom of the wells.

Тампонажный материал для крепления скважин в таких условиях должен схватываться и набирать требуемую прочность при геостатической температуре в интервале цементирования скважины, и цементный камень не должен при этом разрушаться от воздействия повышенных температур. Grouting material for fastening wells in such conditions should set and gain the required strength at a geostatic temperature in the interval of cementing the well, and the cement stone should not be destroyed by exposure to elevated temperatures.

Тампонажные материалы, серийно выпускаемые промышленностью, не обладают такими свойствами. Для крепления скважин в вышеназванных условиях необходимо использование нескольких видов тампонажных материалов, удовлетворяющих температурным условиям крепления скважин. Grouting materials commercially available from industry do not possess such properties. To fix the wells in the above conditions, it is necessary to use several types of grouting materials that satisfy the temperature conditions of the wells.

Известен тампонажный цемент, применяемый для высокотемпературных условий на основе шлакопесчаных вяжущих с добавкой 10% портландцемента [1]. Well-known cement used for high-temperature conditions based on slag sand binders with the addition of 10% Portland cement [1].

Недостатком известного тампонажного цемента является низкая прочность цементного камня, формируемого в условиях низких и нормальных температур. A disadvantage of the well-known cement cement is the low strength of the cement stone formed in low and normal temperatures.

Наиболее близким к заявляемому по назначению и совокупности существенных признаков является тампонажный материал, содержащий шлакопесчаный цемент и портландцемент, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Шлакопесчаный цемент - 30-70
Портландцемент - 30-70
причем шлакопесчаный цемент имеет следующий состав, мас.%:
Шлак - 50-60
Кварцевый песок - 40-50 [2]
Недостатком данного тампонажного материала является низкая прочность цементного камня при температуре до 25^oC и низкая седиментационная устойчивость тампонажного раствора, что не обеспечивает надежного крепления пространства по всему интервалу цементирования.Closest to the claimed purpose and combination of essential features is a grouting material containing slag sand cement and Portland cement, in the following ratio of components, wt.%:
Slag sand cement - 30-70
Portland cement - 30-70
moreover, slag sand cement has the following composition, wt.%:
Slag - 50-60
Quartz sand - 40-50 [2]
The disadvantage of this grouting material is the low strength of cement stone at temperatures up to 25 ^o C and low sedimentation stability of grouting mortar, which does not provide reliable fastening of the space throughout the cementing interval.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения качества крепления скважин путем увеличения прочности цементного камня и седиментационной устойчивости тампонажного раствора, твердеющего в условиях низких, нормальных, умеренных и повышенных температур. The claimed invention solves the problem of improving the quality of the fastening of wells by increasing the strength of cement stone and the sedimentation stability of cement slurry, hardening in conditions of low, normal, moderate and elevated temperatures.

Для решения указанной задачи в заявляемом тампонажном растворе материала, включающем портландцемент и минеральную добавку-шлак, портландцемент содержит портландцементный клинкер и гипс, а в качестве минеральной добавки-шлака используется молотый никелевый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцементный клинкер - 76-80
Гипс - 4-5
Молотый никелевый шлак - 15-20
Новым в заявляемом тампонажном материале является то, что портландцемент содержит портландцементный клинкер и гипс, а в качестве минеральной добавки используется молотый никелевый шлак при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцементный клинкер - 76-80
Гипс - 4-5
Молотый никелевый шлак - 15-20
Тампонажный портландцемент, содержащий портландцементный клинкер и гипс (ПЦТ-Д20) известен как базовый и является основой для приготовления специальных тампонажных цементов [3].To solve this problem in the inventive cement slurry of the material, including Portland cement and a mineral slag additive, Portland cement contains Portland cement clinker and gypsum, and ground nickel slag is used as a mineral slag additive in the following ratio, wt.%:
Portland cement clinker - 76-80
Gypsum - 4-5
Ground Nickel Slag - 15-20
New in the claimed grouting material is that Portland cement contains Portland cement clinker and gypsum, and ground nickel slag is used as a mineral additive in the following ratio, wt.%:
Portland cement clinker - 76-80
Gypsum - 4-5
Ground Nickel Slag - 15-20
Grouting Portland cement containing Portland cement clinker and gypsum (PCT-D20) is known as the base and is the basis for the preparation of special grouting cements [3].

Входящий в состав заявляемого тампонажного материала никелевый шлак используется для производства тампонажных цементов типа НКИ и НП [3]. Nickel slag, which is part of the inventive grouting material, is used for the production of grouting cements of the type NKI and NP [3].

Никелевый шлак в отвалах никелевого комбината г. Орска имеет следующий состав, мас.%:
Ni - 0,17
SiO₂ - 44,00
CO - 0,02
Al₂O₃ - 7,00
Fe - 16,00
CaO + MgO - 28,00
Плотность состава - 3040 кг/м³ [3].Nickel slag in the dumps of a nickel plant in Orsk has the following composition, wt.%:
Ni - 0.17
SiO ₂ - 44.00
CO - 0.02
Al ₂ O ₃ - 7.00
Fe - 16.00
CaO + MgO - 28.00
The density of the composition is 3040 kg / m ³ [3].

Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат состоит в том, что заявляемый тампонажный материал позволяет получить прочный непроницаемый цементный камень, что в свою очередь повышает качество крепления скважин в диапазоне от низких до повышенных температур. The technical result achieved during the implementation of the invention is that the inventive cementing material allows to obtain a strong impermeable cement stone, which in turn improves the quality of the well fastening in the range from low to elevated temperatures.

Наличие в заявляемом тампонажном материале активной кремнеземистой добавки способствует на ранней стадии твердения образованию низкоосновных гидросиликатов, отличающихся низковолокнистой структурой и содержащих кристаллы коллоидных размеров, что предопределяет образование при твердении мелкопористого малопроницаемого камня повышенной механической прочности и температурной устойчивости. The presence of an active siliceous additive in the inventive grouting material promotes, at an early stage of hardening, the formation of low-basic hydrosilicates that differ in low-fiber structure and contain colloidal crystals, which determines the formation of fine-porous low-permeability stone during hardening with increased mechanical strength and temperature stability.

В результате лабораторных исследований выявлено, что раствор на основе заявляемого тампонажного материала имеет повышенную седиментационную устойчивость и прочность цементного камня в 1,5 раза выше, чем у прототипа. As a result of laboratory studies, it was found that the solution based on the inventive grouting material has increased sedimentation stability and the strength of the cement stone is 1.5 times higher than that of the prototype.

При проведении лабораторных исследований были использованы:
портландцементный клинкер АО "Новотроицкий цементный завод" Оренбургская область;
никелевый шлак, гранулированный с гранустановки Никелевого комбината, г. Орск, Оренбургская область;
гипс по ГОСТ 4013-82.When conducting laboratory tests were used:
Portland cement clinker JSC Novotroitsk cement plant Orenburg region;
nickel slag granulated from a granulator of the Nickel Plant, Orsk, Orenburg Region;
gypsum according to GOST 4013-82.

Для проведения лабораторных исследований были приготовлены пять проб тампонажного материал с компонентными составами, приведенными в таблице. For laboratory research, five samples of the grouting material with the component compositions shown in the table were prepared.

Тампонажный материал готовили следующим образом. Предварительно помолотая смесь "портландцементный клинкер и гипс" до удельной поверхности не ниже 2600 см²/г и гранулированный никелевый шлак в заданных соотношениях загружали в лабораторную мельницу и производили совместный помол. Тонкость помола приготавливаемой смеси варьировалась в пределах 3500 - 4000 см²/г с остатком на сите N 008 не более 10% просеиваемой массы. После чего готовили тампонажные растворы на основе известного и заявленного материалов с водоцементным отношением 0,47 - 0,48. Затем определяли физико-механические свойства тампонажных растворов цементного камня при 10, 25, 75^oC и давлении 0,1 МПа, а также при 20^oC и давлении 30,0 МПа.The grouting material was prepared as follows. Pre-ground the mixture of “Portland cement clinker and gypsum” to a specific surface of at least 2600 cm ² / g and granular nickel slag in predetermined proportions were loaded into a laboratory mill and co-milled. The grinding fineness of the prepared mixture varied within 3500 - 4000 cm ² / g with a residue on sieve N 008 of not more than 10% of the sifted mass. Then grouting mortars were prepared on the basis of the known and claimed materials with a water-cement ratio of 0.47 - 0.48. Then determined the physico-mechanical properties of cement slurries of cement stone at 10, 25, 75 ^o C and a pressure of 0.1 MPa, as well as at 20 ^o C and a pressure of 30.0 MPa.

Пример. Для приготовления тампонажного раствора были взяты 480 г водопроводной воды и 1000 г тампонажного материала, содержащего, мас.%:
Портландцементного клинкера - 78 (780 г)
Гипс - 4 (40 г)
Молотого никелевого шлака - 18 (180 г) (опыт 5).Example. To prepare the grouting mortar, 480 g of tap water and 1000 g of grouting material containing, wt.%:
Portland cement clinker - 78 (780 g)
Gypsum - 4 (40 g)
Ground nickel slag - 18 (180 g) (experiment 5).

Тампонажный материал был приготовлен совместным измельчением компонентов с соблюдением вышеприведенных требований к качеству помола. Приготовление тампонажного раствора производили согласно ГОСТ 267980-85. The grouting material was prepared by co-grinding the components in compliance with the above requirements for grinding quality. The preparation of cement slurry was carried out according to GOST 267980-85.

Основные технологические параметры тампонажного раствора (плотность, растекаемость, сроки схватывания) определяли по ГОСТ 267981-85. The main technological parameters of the cement slurry (density, spreadability, setting time) were determined according to GOST 267981-85.

Пределы прочности цементного камня определяли по ГОСТ 267982-85. Седиментационную устойчивость тампонажного раствора (водоотделение) определяли при помощи устройства по величине водоотстоя, определяемого за период с момента его приготовления до образования в нем кристаллизационной структуры и учитывающего влияние изменения порового давления во время твердения [4]. Strength limits of cement stone were determined according to GOST 267982-85. The sedimentation stability of the cement slurry (water separation) was determined using the device according to the value of the sludge, determined during the period from the moment of its preparation to the formation of a crystallization structure in it and taking into account the effect of changes in pore pressure during hardening [4].

Результаты проведенных лабораторных исследований представлены в таблице. The results of laboratory tests are presented in the table.

Анализ данных таблицы показывает, что тампонажный раствор на основе известного тампонажного материала (опыты 1-3) при твердении в течение двух суток при 10 и 25^oC, давлении 0,1 МПа, образует цементный камень с низкой прочностью, не удовлетворяющий требованиям ГОСТ 1581-91. Тампонажный раствор имеет удовлетворительные технологические параметры, но низкую седиментационную устойчивость (6%).An analysis of the data in the table shows that the cement slurry based on the well-known grouting material (experiments 1-3) when hardened for two days at 10 and 25 ^o C, pressure 0.1 MPa, forms a cement stone with low strength, not meeting the requirements of GOST 1581 -91. The grouting mortar has satisfactory technological parameters, but low sedimentation stability (6%).

Заявляемый тампонажный материал с содержанием компонентов в заявленных пределах (опыты 4-6) при затворении водой с водоцементным отношением, аналогичным с прототипом, образует седиментационноустойчивый тампонажный раствор с удовлетворительными технологическими параметрами. Прочность формируемого цементного камня, полученного на основе заявляемого тампонажного материала при температуре твердения 25^oC удовлетворяет требованиям ГОСТ 1581-91 (прочность при изгибе больше 2,7 МПа), а при температуре твердения 10^oC в двухсуточном возрасте прочность камня достигает значения 1,6 - 1,7 МПа, т.е. значительно выше прочности камня на основе известного тампонажного материала.The inventive grouting material with the content of components in the stated limits (experiments 4-6) when mixed with water with a water-cement ratio similar to the prototype forms a sedimentation-resistant grouting mortar with satisfactory technological parameters. The strength of the formed cement stone, obtained on the basis of the inventive cementing material at a hardening temperature of 25 ^o C meets the requirements of GOST 1581-91 (bending strength is more than 2.7 MPa), and at a hardening temperature of 10 ^o C in two days, the strength of the stone reaches 1, 6 - 1.7 MPa, i.e. significantly higher than the strength of the stone based on well-known grouting material.

Прочность камня при этом по истечении 180 сут достигает значений 6,0 - 7,4 МПа и 7,4 - 9,7 МПа (температура твердения 25^oC).After 180 days, the strength of the stone reaches 6.0 - 7.4 MPa and 7.4 - 9.7 MPa (hardening temperature 25 ^o C).

Прочность камня при температуре твердения 120^oC превышает прочность камня на основе известного материала в среднем в 1,5 раза.The strength of the stone at a hardening temperature of 120 ^o C exceeds the strength of the stone based on known material on average 1.5 times.

Прочность камня на изгиб при этом по истечении 180 сут достигает значения 10,8 - 12,8 МПа, прочность камня на сжатие достигает значения 41,8 - 45,0 МПа. After 180 days, the stone's bending strength reaches 10.8 - 12.8 MPa, the stone's compressive strength reaches 41.8 - 45.0 MPa.

Оптимальное содержание портландцементного клинкера находится в пределах 76 - 80 мас.%. The optimal content of Portland cement clinker is in the range of 76 - 80 wt.%.

При содержании портландцементного клинкера менее 76% (опыт 7) прочность цементного камня снижается до 0,9 - 1,8 МПа, а при содержании ПЦК более 80 мас.% температурная стойкость цементного камня понижается (опыт 8). When the content of Portland cement clinker is less than 76% (experiment 7), the strength of the cement stone decreases to 0.9 - 1.8 MPa, and when the PCC content is more than 80 wt.%, The temperature resistance of the cement stone decreases (experiment 8).

Содержание молотого никелевого шлака определено оптимальным в пределах 15 - 20 мас.%:
Содержание молотого никелевого шлака более 20 мас.% не обеспечивает набор прочности цементного камня при температурах твердения 10 и 25^oC (опыт 7), а при содержании менее 15 мас. % - понижается температурная стойкость (понижается прочность) цементного камня при длительном (180 суток) хранении (опыт 8).The content of ground Nickel slag is determined optimal in the range of 15 to 20 wt.%:
The content of ground Nickel slag more than 20 wt.% Does not provide a set of strength of cement stone at hardening temperatures of 10 and 25 ^o C (experiment 7), and with a content of less than 15 wt. % - temperature resistance decreases (strength decreases) of cement stone during long-term (180 days) storage (experiment 8).

При вышеприведенных значениях содержания портландцементного клинкера и молотого никелевого шлака содержание гипса оптимально в пределах 4 - 5 мас. %:
Тампонажный раствор на основе заявляемого тампонажного материала имеет высокую седиментационную устойчивость при удовлетворительных технологических параметрах и формирует прочный цементный камень при твердении в условиях низких, нормальных, умеренных и повышенных температур.With the above values of the content of Portland cement clinker and ground nickel slag, the gypsum content is optimal in the range of 4 to 5 wt. %:
Grouting mortar based on the inventive grouting material has high sedimentation stability with satisfactory technological parameters and forms a strong cement stone when hardened in conditions of low, normal, moderate and elevated temperatures.

Заявляемое техническое решение позволяет использовать один вид тампонажного материала в условиях одновременного воздействия низких температур на устье и повышенных температур на забое скважины и обеспечивает надежную герметизацию заколонного пространства и температурную стойкость камня в течение продолжительного времени, что повышает долговечность крепи и способствует увеличению добывных возможностей скважины. The claimed technical solution allows the use of one type of grouting material under conditions of simultaneous exposure to low temperatures at the wellhead and elevated temperatures at the bottom of the well and provides reliable sealing of the annulus and the temperature resistance of the stone for a long time, which increases the durability of the lining and increases the production capacity of the well.

Литература
1. Булатов А., Новохатский Д.Ф., Тампонажные шлаковые цементы и растворы для цементирования глубоких скважин: - М.: Недра, 1975, с. 69-76.Literature
1. Bulatov A., Novokhatsky DF, Grouting slag cements and solutions for cementing deep wells: - M .: Nedra, 1975, p. 69-76.

2. Авторское свидетельство СССР N 981585, кл. E 21 B 33/138, БИ N 46, 1982 (прототип). 2. USSR author's certificate N 981585, cl. E 21 B 33/138, BI N 46, 1982 (prototype).

3. Данюшевский В.С. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам. -М.: Недра, 1987, с. 169, 85. 3. Danyushevsky V.S. and others. Reference manual for cementing materials. -M .: Nedra, 1987, p. 169, 85.

4. Авторское свидетельство СССР N 1679289, кл. G 01 N 15/04, БИ N 35, 1991. 4. Copyright certificate of the USSR N 1679289, cl. G 01 N 15/04, BI N 35, 1991.

Claims

Grouting material containing Portland cement and a mineral slag additive, characterized in that Portland cement contains Portland cement clinker and gypsum, and ground nickel slag as a mineral slag additive in the following ratio, wt.%:
Portland cement clinker - 76 - 80
Gypsum - 4 - 5
Ground Nickel Slag - 15 - 20 °