CC BY
25
«ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СВЕРХЛЕГКОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА»
«PREREQUISITE FOR THE DEVELOPMENT OF OPTIMAL STRUCTURE ULTRALIGHT CEMENT SLURRY»
Ю.В. Макаренкова Y.V. Makarenkova
ГОУ ВПО МГСУ
В статье рассматривается проблема получения сверхлегкого тампонажного раствора и способы ее решения. Рассматриваются предпосылки для оптимизации структуры цементных растворов.
The article discusses the problem of obtaining an ultra-light cement slurry and ways of solving it. Preconditions for optimizing the structure of cement mortarbi is described.
Тампонажным называется раствор, предназначенный для гидроизоляции скважин, шахтных стволов и туннелей путем закрытия водоносных грунтов, трещин и пустот в горных породах и заполнения закрепленного пространства. К нему предъявляется особые требования.
Во-первых, текучесть раствора должна обеспечивать его спуск по трубе, его поднятие, заполнение всех пустот и каверн в затрубном и межтрубном пространстве. К тому же, его должны прокачать насосы. Это обеспечивает растекаемость раствора.
Во-вторых, затвердевший и превратившийся в камень раствор, должен обладать достаточной прочностью. Прочность камня на изгиб должна быть не ниже 1 МПа.
В-третьих, раствор должен быть очень легким, чтобы исключить любые его поглощения пластами с АНПД. Практика освоений скважин показывает, что для этого плотность раствора должна быть ниже 1000 кг/м3.
В-четвертых, затвердевший камень должен хорошо задерживать тепло, чтобы исключить растепление многолетнемерзлых пород, т.е. обладать низкой теплопроводностью (менее 0,2 Вт/м-0С).
В-пятых, при закачке в скважину раствор не должен расслаиваться [1].
Для достижения этих требований было предложено несколько решений.
Так, в 1960-е годы были разработаны аэрированные тампонажные растворы. Идея заключалась в том, чтобы насытить обычный тампонажный раствор пузырьками воздуха. Однако эта идея не прижилась, поскольку, находясь на глубине, воздушные поры в таком растворе под давлением начинают схлопываться и воздух стремиться переместиться вверх, стремясь вырваться наружу.
Использование традиционных облегчающих наполнителей (шлак, керамзит, резиновая крошка и др., которые обладают большой водопотребностью) также не позволяет получить тампонажные растворы средней плотностью менее 1300 кг/м3 из-за их расслоения и резкого ее возрастания при разрушении этих наполнителей.
2/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
В конце 1980-х годов было предложено использовать в качестве облегчающего наполнителя в тампонажный раствор мельчайшие (в несколько микрон) шарики -микросферы. Микросферы имеют тончайшую стенку, а внутри они заполнены под небольшим давлением, газом. Наиболее хорошо себя зарекомендовали полые стеклянные микросферы (ПСМС). Размер каждой такой микросферы около 20...30 микрон, толщина стенки - 1.3 микрона. Истинная плотность микросфер - 240...300 кг/м3.
Первые результаты применения микросфер в тампонажном растворе превзошли все ожидания. Удалось получить тампонажный раствор плотностью 780 кг/м3, прочностью затвердевшего камня на изгиб 3 МПа, теплопроводностью 0,17 Вт/м-0С. Микроструктуру такого тампонажного раствора приведена на рис. 1.
Рисунок 1 - Микроструктура тампонажного камня с ПСМС
Несмотря на полученные результаты, возникает вопрос: а является ли такая структура материала оптимальной? Очевидно, нет. Предел будет достигнут, когда микросферы в камне будут максимально плотно упакованы. То есть их доля в объеме камня будет максимальной, а цементный камень будет выполнять роль скрепляющей прослойки между микросферами. Чем больше в камне легких микросфер, тем меньше тяжелых цементных новообразований.
При единственном типоразмере шаров максимально плотная упаковка будет называться гексагональной, и заполняемость объема шарами составит всего 74,05 % (рис. 2).
Из расчетов следует, что, чем больше типоразмеров шаров мы применяем для заполнения объема, тем больше его заполняемость. Если мы вместо одного типоразмера возьмем два, то заполняемость увеличится на 5 % (с 74 до 79 %). Если добавим шаров еще меньшего диаметра, заполняемость составит уже 81 % и так далее (табл.1) [2, 3].
Таблица 1 - Расчет модели идеально пористого тела
Диаметр Количество шаров в ячейке, шт Заполняемость, %
Б 1 74,05
0,414 Б 1 79,30
0,225 Б 2 80,99
0,155 Б 8 85,12
0,12 Б 8 87,02
Таким образом, для дальнейшего уменьшения плотности и теплопроводности тампонажного раствора, необходимо разделять микросферы по размеру на фракции. Это весьма дорогостоящая операция, но применение тампонажного раствора оптимальной структуры позволит вести добычу нефти и газа из самых труднодоступных месторождений, где при использовании других материалов это будет невозможно.
Список литературы
1. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов,- М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000.-679 е.: ил.
2. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ, 1960. - 357 с.
3. Сахаров Г.П. О рациональности дисперсности песка для ячеистого бетона. // Строительные материалы, №6, 1978. - с. 28-31.
The literature:
1. Basarygin Yu.M. Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. Complications and accidents in drilling oil and gas wells: A Textbook for universities - Moscow: Nedra-Business center Ltd, 2000.-679 p. (in Russian)
2. Bokiy G.B. Crystal chemistry. M.: MSUniv., 1960. - 357p. (in Russian)
3. Sakharov G.P. About the rationality of dispersion sand aerated concrete / / Building Materials, № 6, 1978. - pp. 28-31. (in Russian)
Ключевые слова: сверхлегкий тампонажный раствор, средняя плотность раствора, теплопроводность, растекаемость раствора, полые стеклянные микросферы, микроструктура, гексагональная упаковка частиц, идеально пористое тело, заполняемость
Key word: ultralight cement slurry, average density of slurry, thermal conductivity, hollow glass microspheres ("spherolights"), microstructure, hexagonal packing ofparticles, ideal porous body, occupancy
e-mail автора: djuli_ya@mail.ru
Рецензент Ляпидевский Борис Васильевич, к.т.н., заведующий лабораторией подземных сооружений и кровель ГУП «НИИМосстрой»
