CC BY
74
УДК 691.33
Д. С. Смирнов, С. В. Степанов, Г. Р. Хилавиеа АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА О ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБАХ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
ТАМПОНАЖНЫХ СМЕСЕЙ
Ключевые слова: тампонажные растворы, химические добавки, прочность, растекаемость.
В статье рассматриваются вопросы улучшения качества тампонажных растворов используемых при производстве буровых работ. Одним из перспективных направлений улучшения качества тампонажных растворов является использование химических модификторов. Было изучено влияние химических добавок на технологические свойства тампонажных растворов и физико-механические характеристики цементного камня. Выявлено, что введение добавок позволяет увеличить растекаемость растворной смеси баз потери прочности.
Key words: cement slurries, chemical additives, strength, fluidity.
This article discusses the issues of improving the quality of cement slurry used in the manufacture of drilling operations. One of the promising directions for improving the quality of cement slurry is to use chemical modifiktorov. Studied the effect of chemical additives on the technological properties of cement slurries and physico-mechanical properties of the cement stone. Revealed that supplementation can increase the fluidity dis-ductive mixture bases loss of strength.
Тампонажные цементы являются одним из особых видов цемента, применяемых при производстве буровых работ, требующих цементации разбуриваемых пород.
Широкий объем бурения связан с выявлением залегания нефти, газа, других полезных ископаемых, определения водоносных горизонтов, пород, залегающих на разных глубинах. Особенности пробуривания толщ грунтов и горных пород (их глубина, сложение, наличие водоносных горизонтов, состав воды в них, температура в скважинах) вызывают необходимость изготовления цементов с различными свойствами. Так, при проходе скважин в трещиноватых породах применяют цемент с наполнителем - волокнистым асбестом, сокращающим расход цемента. Без такого наполнителя большое количество цемента уходит в породу по ее трещинам. Этот цемент назван волокнистым, в нем содержится около 3% асбестового волокна, добавляемого к цементу в мельницу в процессе помола [1].
К тампонажным цементам предъявляют следующие требования: стойкость цемента в конкретных условиях работы в скважинах; быстрое нарастание прочности до заданных величин и создание высокой герметичности скважин.
Для приготовления тампонажных растворов с минимальным количеством воды (примерно 40-45% воды) должна обеспечиваться стабильность цементного теста, его транспортабельность и устойчивая работа перекачивающих устройств; цементное тесто должно сохранять заданную текучесть на весь период работ, связанных с его приготовлением и перемещением к месту последующего твердения.
Так, для тампонирования «холодных» скважин, в которых температура ниже 50° С, применяют портландцемент с высоким содержанием минерала СзА и гипса или тонкомолотый портландцемент с высоким содержанием минерала Сз8 и гипса [2]. Эти цементы обеспечивают нужную скорость
схватывания раствора и быстрый рост прочности. Наличие в них повышенного количества гипса обеспечивает заданную пластичность раствора [1].
Для тампонирования «горячих» скважин, в которых температура выше 50° С, но не превышает 100° С, применяют портландцемент с замедленным схватыванием, что обеспечивает стабильность заданной пластичности растворов на период производства работ. Цементы, отвечающие указанным условиям, содержат минимальное количество минерала С3А (или совсем его не содержат), повышенное С28 и С4АБ и относительно немного минерала Сз8.
Если температура в скважинах выше 100°С, для замедления сроков загустевания растворов необходимо применять цементы с иной минералогической характеристикой. Для указанных условий были предложены вяжущие, представляющие смесь тонкоразмолотых доменных шлаков с песком и высушенным нефелиновым (отход при производстве глинозема А12О3) шламом и шлаком (или песком). Эти вяжущие названы цементами для сверхглубоких скважин.
При производстве тампонажных работ в нефтяных скважинах, выделяющих значительное количество газа, необходимо повысить плотность цемента, для этого в него вводят минеральные порошки с большей плотностью (до 40 - 60% гематита или барита). Эти цементы названы утяжеленными. Повышение плотности цемента связано с необходимостью ввести в скважины глинистый раствор повышенной плотности (22002300 кг/м3) - промыть скважины. Следовательно, для последующего введения в скважину цементного раствора важно не допустить смешения растворов (проникания глинистого раствора в цементный), чтобы не снизить расчетную прочность цементного камня.
Повышение водостойкости такого цемента достигается введением в его состав гипса. Такой цемент назван гипсобариевым. Для тампонажных
работ иногда применяют жаростойкие цементы, которые приготавливают на основе глиноземистых цементов с огнеупорными наполнителями заданной гранулометрии (например, магнезитом, шамотом). Такие цементы необходимы для тампонирования скважин, устраиваемых при подземной газификации углей [1].
В ГОСТе 1581-96 «Портландцемента тампонажные. Технические условия» указано, что данный вид цемента является разновидностью портландцемента. Поэтому кроме требований, типичных для портландцементов, в ГОСТе приведены специфические требования, например, к количеству активных минеральных добавок. Содержание добавок в цементе зависит от их природы и типа цемента. Эти добавки должны быть только осадочного происхождения; их можно заменить гранулированным доменным шлаком.
Одним из перспективных направлений улучшения качества тампонажных растворов является повышение пластичности (растекаемости) тампонажного раствора с одновременным повышением его плотности и прочности. Большинство исследователей решают эту задачу путем введения в состав раствора комплексных добавок или полифункциональных модификаторов (ПФМ) улучшающих целый ряд его физико-механических, а также реалогических свойств или обеспечивающих синергитическое воздействие на одно из свойств [3,4,11].
В Северо-Кавказком научно-исследовательском институте природных газов разработан комплексный пластификатор, содержащий конденсированную сульфитспиртовую барду (КССБ) и поливиниловый спирт (ПВС) [5]. За прототип принят пластификатор, содержащий КССБ и диэтиленгликоль [6]. Согласно результатам испытаний, при соотношении между КССБ и ПВС -86:14 и содержании пластификатора 0,8 % от массы цемента растекаемость раствора возросла на 48 % по отношению к прототипу. Прочность на раскалывание после твердения при температуре 75°С, через 2 суток составила 5,2 МПа (испытания на раскалывание проводилось на приборе МИИ-100). По мнению авторов изобретения, совместное использование КССБ и ПВС усиливает пластифицирующий эффект.
КССБ относится к III группе пластифицирующих добавок (среднепластифицирующие) [7].
Очевидно, что более эффективным является применение в составе тампонажных растворов пластифицирующих добавок I группы, так называемых суперпластификаторов. Данная группа пластификаторов значительно лучше разжижает цементные системы и в том числе тампонажные растворы.
Известна комплексная пластифицирующая добавка, содержащая суперпластификатор С-3 и ПВС при соотношении 68-88:12-32 [8]. Прочность на изгиб после твердения при температуре 75°С составила 7,5 МПа, а растекаемость возросла по сравнению с ранее приведенным составом (КССБ+ПВС) [5] на 25 %.
Кроме пластифицирующего эффекта крайне важным является обеспечение стабилизирующего и водоудерживающего воздействия ПФМ на тампонажный раствор, увеличение его плотности и коррозионной стойкости.
Известно [9], что водоудерживающую способность можно повысить, также, путем введения в состав цементных систем воздухововлекающих добавок. При этом увеличивается связность и снижается водоотделение смесей. Воздуховолечение не должно быть слишком высоким. Содержание вовлеченного воздуха должно составлять 3-5 %. Кроме стабилизирующего действия на цементные системы вовлечение воздуха приводит к повышению долговечности цементного камня, главным образом за счет повышения морозостойкости. Мелкие пузырьки воздуха, равномерно распределенные в цементном камне, являются буферной зоной, куда выжимается вода при замерзании ее в более крупных порах. При этом важную роль играет размер пор и расстояние между ними. В микропорах вода замерзает при более низких температурах.
Снижение количества крупных пор, а, следовательно, повышение морозостойкости и водонепроницаемости возможно за счет введения в состав цементных систем кольматирующих добавок. Кольматирующие добавки - это вещества, способствующие заполнению пор в бетоне водонерастворимыми продуктами.
Водорастворимыми кольматирующими добавками (добавками-уплотнителями) являются
водорастворимые смолы и соли алюминия, железа и кальция.
Одним из основных требований предъявляемым к тампонажным цементам является прочность на изгиб. Известно [9,10], что полимеры, вводимые в состав цементных систем, повышают этот показатель. В качестве полимерных добавок используют: латексы, порошкообразные эмульсии, водорастворимые полимеры, жидкие смолы и мономеры.
Очевидно, что выбор добавок должен производиться в зависимости от технологии приготовления цементных систем с учетом влияния добавок на свойства цементного теста и камня.
Цель работы - определение структурно-механических свойств тампонажных смесей и камня на основе ПЦТ П-50 с добавкой различных химических реагентов. Для выполнения поставленной цели требовалось решение следующих задач:
1. Исследовать влияние пластифицирующей, воздухововлекающей, кольматирующей и полимерной добавок на свойства тампонажных растворов;
2. Изучить влияние комплексного введения указанных добавок в состав тампонажных растворов;
3. Оптимизировать комплексные составы.
Приготовление цементного теста и испытание
тампонажного цемента производилось в соответствии с ГОСТ 26798.1-96. Было исследовано
5 составов тампонажных смесей, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Составы тампонажных смесей
№ п/п Добавка Дозировка, % Цемент, г В/Ц
1 - -
2 Поливинилацетат 1
3 Олефинсульфонат натрия 1 2000 0,5
4 Диэтиленгликоль 1
5 Суперпластификатор 0,5
С-3
Технология приготовления раствора включала несколько этапов. Сначала взвешивали цемент, навеску высыпали в пластиковую емкость объемом 7 литров и заливали водой. Затем перемешивали в течении 180 секунд с помощью миксера. Сразу после перемешивания цементное тесто переливали в стандартный конус (рис. 1) и определяли растекаемость, а также оценивали его плотность. Для оценки водоотделения цементного теста его заливали в два мерных цилиндра по 250 см3 в каждый. Через 2 часа, после отстаивания, отделившуюся на поверхности цементного теста воду отбирали пипеткой и определяли ее объем.
Рис. 1 - Оборудование для испытания тампонажного цемента: 1 - стандартный конус для определения растекаемости; 2 - мерные сосуды емкостью 250 см3; 3 - металлические формы образцов балочек размером 40х40х160 мм
Для определения прочности цемента на изгиб цементное тесто заливали в металлические формы образцов балочек размером 40х40х160 мм (рис. 1.). Образцы в форме устанавливали в камеру нормального твердения где в течении 24 часов хранились в нормальных условиях при влажности не менее 95 % и температуре 21°С. После хранения в нормальных условиях образцы вынимались из формы и выдерживались еще 23 часа в воде. За 1 час до испытаний образцы вынимались из воды и в течение часа выдерживались при комнатной температуре. После чего испытывались на изгиб и
сжатия на приборе МИИ-100 и гидравлическом прессе. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты испытаний
№ п/п Л т о m ,ь т с о м ,е s н ё Прочность в возрасте 2 суток, МПа
В § s £ -У от /г ч С ем 3 § е т с а рц £ s о о ч о В На изгиб На сжатие
1 2,21 185 2 2,75 4,59
2 2,27 150 1 2,25 3,8
3 0,5 1,33 162 0 1,10 2,38
4 2,1 240 0 2,80 5,2
5 1,8 280 4 2,70 4,61
Как видно из таблицы 2 контрольный состав тампонажного раствора (состав 1) не соответствует требованиям ГОСТ 1581-96 по показателю растекаемости, который должен соответствовать значению > 200 мм. Данный показатель обеспечивается при введении в состав тампонажного раствора химреагентов в виде диэтиленгликоля, в количестве 1 % или суперпластификатора С-3, в количестве 0,5 % (составы 4 и 5). При этом введение С-3 дает лучший пластифицирующий эффект. По сравнению с контрольным составом показатель растекаемости увеличивается на 30 и 51 % соответственно. Высокий пластифицирующий эффект модификатора С-3 позволит снизить расход воды в составе тампонажного раствора, что приведет к увеличению прочности цементного камня в проектном возрасте.
Добавка олефинсульфоната натрия в количестве 1 % от массы вяжущего в значительной степени повысила воздухововлечение, что видно из показателя плотности цементного теста (состав 3). Повышенная пористость привела к снижению прочности цементного камня. Очевидно, что содержание этой добавки в составе тампонажных растворов должно быть ниже 1 %.
Полимерная добавка (состав 3), также не улучшила свойств цементного теста и камня.
Таким образом, оптимальной добавкой, из выбранных, для использования в нефтедобывающей отрасли для цементации разбуриваемых пород является суперпластификатор С-3. Введение С-3 позволяет увеличить растекаемость тампонажной смеси, без потери прочностных характеристик.
Литература
1. Н.И. Николаев, A.A. Мелехин. Тампонажные смеси для цементирования поглощающих интервалов. // Научные исследования и инновации. Научный журнал. Пермь: ПГТУ, 2011. Т.5. №1. -С. 40-44.
2. Смирнов Д.С., Рахимов Р.З., Стоянов О.В. Влияние добавок молотых шлаков на жаростойкость цементного камня // Вестник Казанского технологического университета, 2014, Т.17, №6, - С. 48-50.
3. Морозов Н.М., Степанов С.В., Хозин В.Г. Ускоритель твердения бетона на основе гальванического шлама //
Инженерно-строительный журнал, 2012, № 8(34). - С. 67-71
4. Степанов С.В., Морозов Н.М., Хозин В.Г. Исследование долговечности бетонов с ускорителем твердения на основе гальванического шлама // Известия КГАСУ, 2013, № 2(24). - С. 268-272.
5. Патент Ш 2033519, кл. Е21 В33/138. СевероКавказский НИИ природных газов. Перейма А.А., Петраков Ю.И. и др. 20.04.1995.
6. А.с. СССР № 1670097, кл. Е21 В33/138, 1989.
7. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. - М.: Изд-во «Палеотип», 2006. -243 с.
8. Патент RU 2122627, кл. Е21 В33/138. ООО «Волго-Уральский научно-исследовательский институт нефти и газа». Цыцымушкин П.Ф., Хайруллин С.Р. и др. 27.11.1998.
9. Добавки в бетон. Справочное пособие. Под редакцией В.С. Рамачандрана. Стройиздат. Москва. 1988. 570 с.
10. Iken, Hans-W. Handbuch der Betonprüfung: Anleitungen u. Beispiele / Hans W. Iken, Roman R. Lackner, Uwe P. Zimmer. 5. Auflage - Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, 2003. -P. 380. - ISBN 3-7640-0317-0.
11. Патент RU 2210552, Бетонная смесь. Рахимов Р.З., Габидуллин М.Г., Смирнов Д.С., Клементьев Г.А., Рахимов М.М, Хакимов Ф.С., Низембаев А.Ш., Давлетбаева Ф.И. 16.04.2001.
© Д. С. Смирнов, доц. каф. строительных материалов КГАСУ, [email protected]; С. В. Степанов, ст. препод. каф. автомобильных дорог, мостов и тоннелей КГАСУ, [email protected]; Г. Р. Хилавиеа, студ. КГАСУ.
© D. S. Smirnov, assistant professor, department "Building materials", KSTUAE, [email protected]; S. V. Stepanov, Associate Professor of Department department "Highways, bridges and tunnels" KSTUAE, [email protected]; G. R. Hilavieva, stud. KSTUAE.
