CC BY
20УДК 622.245
ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТНЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИН
BLASTFURNACE SLAG-PORTLAND CEMENT PLUGGING MATERIAL FOR HIGH TEMPERATURE WELLS STRENGTHENING
В. П. Овчинников, Н. А. Аксенова, О. В. Рожкова, Т. А. Харитонова, В. А. Федоровская
V. P. Ovchinnikov, N. A. Aksyonova, O. V. Rozhkova, T. A. Kharitonova, V. A. Fedorovskaya
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Ключевые слова: скважина; доменный шлак; портландцемент; термостойкость; тампонажный материал; кремнезем Key words: well; blastfurnace slag; Portland cement; thermal stability; plugging material; silica
Обеспечение качества разобщения продуктивных нефтегазосодержащих пластов с высокими термодинамическими характеристиками наряду со снижением стоимости строительства скважины, в особенности глубоких (более 3 000 м), явля-
% 1, 2016 Неф ть и газ 61
ется сегодня (в период наложения санкций со стороны Европейского союза) актуальным и приоритетным направлением.
В работах [1, 2, 3] еще в прошлом веке было показано и доказано, что применение шлаков металлургического производства, взамен либо в сочетании с тампо-нажным портландцементом, способствует созданию термостойкого камня в зако-лонном пространстве, в интервалах с температурами более 80 0С. Однако их применение ограничивается составом шлака, меняющегося в зависимости от технологического режима плавки, седиментационной неустойчивостью тампонажного раствора на их основе, усадочными деформациями в процессе формирования цементного камня [4].
В указанных ранее работах исследовались и были рекомендованы к применению шлаки металлургических заводов, расположенных на территории Украины. В связи со сложившейся сегодня обстановкой необходим поиск альтернативного поставщика. Нами был рассмотрен вариант использования гранулированного доменного шлака Челябинского металлургического комбината (ООО «Мечел-Материалы»). Физико-химический состав (усредненный) его представлен в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химической состав доменного шлака, %
CaO SiO2 Al2Oз MgO FeO Na2O ^2 MnO S Mo
35,0-45,0 35,0-45,0 <8 <15 0,2-1,0 0,5-1,0 1,0-1,5 <4,0 <2,0 <1,0 0,95-1,10
Таблица 2
Параметры доменного шлака
Показатель Единица измерения Параметр
Размер зерна Содержание фракции < 0,080 мм Содержание фракции < 0,020 мм % не менее 96,0 не менее 60,0
Удельная поверхность м2/кг 450
Влажность % не более 0,3
Содержание стекловидной фазы % 65-70
Активность шлака молотого естественного твердения в нормальных условиях в возрасте 28 суток МПа не менее 10
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов Бк/кг не менее 370
Доменный шлак состоит из алюминатов и силикатов кальция и является неметаллическим продуктом. Доменный шлак пожаро- и взрывоопасный материал, который не оказывает влияния на организм человека и относится к IV классу опасности. Он является отходом производства стали (чугуна) в виде расплава, который после подвергается охлаждению. Гранулированный шлак образуется при быстром охлаждении водой, паром или воздухом, в случае, когда охлаждение происходит медленно, образуется комовый шлак. Гидравлические свойства доменного шлака снижаются при медленном охлаждении, так как в процессе охлаждения происходит его частичная кристаллизация [5].
Кварц, оксиды алюминия, кальция и магния являются основными составляющими доменного шлака, на их долю приходится 85 % всего состава. Оставшиеся 15 % представлены примесями марганца, соединения железа, серы и «следовым» количеством других элементов. Фазовый состав шлаков представлен различным соотношением двух фаз: кристаллической (мелилиты, двухкальциевый силикат,
волластонит, монтичеллит, форстерит, шпинель) и стекловидной (кальциево-магниево-алюмосиликатное стекло переменного состава).
Условные характеристики шлаков — модули основности (Мо) и активности (Ма):
%СаО+0/М£О Мо = о/<£Ю2 +%А/20З '
Ма = %АкЮЪ % БЮ2 '
При модуле основности, большем либо равном единице, шлак является основным, а при показателе основности менее единицы — кислым. Гидравлические свойства и прочность камня тем выше, чем выше модуль активности. Значения модулей активности и основности шлаков представлены в табл. 3.
Однако по значениям модулей основности и активности нельзя прогнозировать свойства формирующегося цементного камня, так как кроме химического состава важное значение имеет режим грануляции, условия производства и хранения шлака и т. д.
Процесс твердения шлаков связан с образованием тех же продуктов гидратации, что и у портландцемента, однако из-за низкой основности продуктов твердения, гидроксид кальция в свободном виде практически не образуется, присутствуют низкоосновные гидросиликаты кальция, гидрогранаты, а также гидрат геле-нита (2СаО^А12Оз^Юг2Н2О). Для ускорения гидратации и твердения цементов на шлаковой основе применяют химическую активацию введением щелочей и сульфатов, обычно в виде оксида или гидроксида кальция и гипса. В качестве химически активной добавки к шлаку нами использовался портландцемент тампонажный как поставщик Са(ОН)2 для гидратации алюмоферритной фазы. Данные об изменении сроков схватывания шлаковых растворов с различным содержанием портландцемента приведены в табл. 4.
Смесь шлака с водой при нормальной температуре схватывается довольно медленно. Введение портландцемента в количестве 10 % приводит к резкому сокращению сроков схватывания шлако-цементной смеси. Дальнейшее увеличение количества цемента в смеси способствует незначительному постепенному ускорению процессов схватывания.
Таблица 3
Значения модулей активности и основности различных шлаков
Модули Феррохромовый шлак Шлаки цветной металлургии (никель, медь) Сталеплавильные шлаки Шлаки алюмотермического производства металлического хрома Шлаки алюмотермического производства ферробора Доменные шлаки
Модуль основности (Мо) 1,7-2,3 0,2-0,3 0,4-0,8 0,13-0,15 0,36-0,42 0,7-0,8
Модуль активности (Ма) 0,2-0,3 0,17-0,6 0,2-0,6 52-77 30-22 0,2-0,6
Таблица 4
Сроки схватывания шлакопортландцементных образцов при температуре 22 0С
Состав смеси, % Сроки схватывания, мин
Шлак доменный Цемент (ПЦТ 1-100) Содержание воды, % начало конец
100 0 29 3600 3840
90 10 29 410 480
80 20 29 410 460
70 30 30 400 460
50 50 30 360 430
30 70 46 325 410
10 90 40 300 395
0 100 40 300 395
Для оценки возможности использования шлаков производства ООО «Мечел-Материалы» нами были проведены исследования по изучению свойств смеси при различных соотношениях портландцемент : шлак при водоцементном отношении 0,55 и определение нижней границы температурного диапазона ее применимости без введения других катализаторов процесса твердения.
Для проведения исследований были приготовлены пробы тампонажного материала с компонентными составами, приведенными в таблице 5, там же представлены и реологические параметры изучаемых тампонажных растворов.
Таблица 5
Свойства шлакоцементных растворов различного состава при В/Ц = 0,55
Состав, % (шлак : ПЦТ-1-100) Плотность, кг/м3 Растекаемость, мм Водоотделение, %
100:0 1850 200 1,6
20:80 1840 210 1,68
40:60 1840 225 2,77
50:50 1830 230 3,09
60:40 1825 230 3,98
80:20 1820 235 3,55
0:100 1810 250 4,04
Результаты экспериментов показали, что плотность раствора практически не меняется в зависимости от состава композиций, подвижность остается в допустимых пределах, седиментационная устойчивость раствора удовлетворительно стабильна.
Результаты исследований прочностных показателей формирующегося шлако-цементного камня при различных температурах окружающей среды представлены на рисунке.
Установлено, что при температуре твердения 80-120 0С прочность на сжатие образцов в суточном возрасте состава (60 % тампонажного портландцемента и 40 % доменного шлака) составляет 10,1-15,2 МПа, на изгиб 3,8-5,1 МПа, что выше требований ГОСТ 1581-96 на тампонажный портландцемент даже для цементов типа Ю и 1-Н. По прочности камень, сформированный при температуре менее 60 0С, в особенности при температуре 22 0С, при любом сочетании ингредиентов не удовлетворяет требованиям ГОСТ 1581-96.
Прочность цементного камня со шлаком увеличивается с ростом температуры. При повышении температуры возрастает активность шлака и формируется достаточно прочный цементный камень, что дает возможность замещения части цемента шлаком. Необходимо помнить, что оптимальное содержание мелких фракций в шлаке увеличивается с уменьшением отношения цемент/шлак, так как
они являются микрозаполнителем, способствующим улучшению структуры твердеющего камня и снижению его пористости.
Таким образом, применение составов шлак/портландцемент в соотношении 60/40, 50/50 и 40/60 является перспективным для цементирования скважин с повышенными температурами, так как не уступают по своим показателям «чистому» портландцементу, а в отношении прочности даже превышают требования ГОСТа.
120
160
22 80 120 160
■ 0/100 1,57 6,857 14,523 15,632
■ 40/60 0,886 10,187 15,211 16,012
■ 50/50 1,054 11,659 15,321 15,827
■ Ь0/40 0,784 10,87 14,925 15,99
■ 100/0 0,36 4,6 4,95 5,9
Рисунок. Диаграмма зависимости прочности цементного камня на сжатие, сфомированного из смеси различного соотношения шлак: цемент при В/Ц - 0,55 от температуры твердения
Использование при приготовлении тампонажного раствора из шлако-портландцемента позволит сократить расход клинкерного цемента без уменьшения прочностных показателей, а замещение в растворе цемента доменным шлаком в процентном отношении от 40 до 60 % обеспечивает водонепроницаемость, низкую деформацию цементного камня, а также способствует сульфатостойкости, повышению долговечности в условиях действия агрессивных сред, в том числе при высоких температурах.
В табл. 6 приведен расчет снижения себестоимости цементного раствора при использовании доменного шлака.
Таблица 6
Снижение себестоимости тампонажного раствора при использовании доменного шлака
Составляющие раствора Базовый состав, % Новый состав, % Ориентировочная стоимость одной тонны, руб
ПЦТ 1-100 100 60 3 900
Шлак 0 40 1 750
Стоимость, руб/т 3 900 руб/т 3 040 руб/т Экономия 860 руб/т
Выводы
• Доменные гранулированные шлаки ООО «Мечел-Материалы» пригодны для производства материала, применяемого для цементирования скважин в интервалах повышенных температур.
• Необходимо проведение детальных исследований с изучением фазового состава продукта твердения, изучение возможности активации смеси: введением различных добавок (щелочных, пластифицирующих и т. д.), гидравлических, механических и тепловых методов воздействия.
• При положительных результатах экспериментальных исследований имеется целесообразность разработки проекта на производство готового продукта с рассмотрением предложения об использовании в других отраслях промышленности: в изготовлении бетонов и изделий из него; гидротехническом; сельскохозяйственном и дорожном строительстве; в строительстве промышленных, общественных и жилых зданий, сооружений; изготовлении искусственного конгломерата сухих строительных смесей.
Список литературы
1. Дворкин Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 368 с.
2. Булатов А. И. Тампонажные материалы: учеб. пособие для вузов / А. И. Булатов, В. С. Даню-шевский. - М.: Недра, 1987. - 280 с.
3. Химия промывочных и тампонажных жидкостей: учебник по спец. «Бурение нефт. и газовых скважин» / Р. Г. Ахмадеев, В. С. Данюшевский. - М.: Недра 1981. - 152 с.
4. Овчинников В. П., Аксенова Н. А., Овчинников П. В. Физико-химические процессы твердения, работа в скважине и коррозия цементного камня: учебн. пособие для вузов. - Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2011. - 331 с.
5. Аксенова Н. А., Рожкова О. В., Федоровская В. А. К вопросу крепления высокотемпературных скважин // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыты, инновации): материалы 9-й научно-технической конференции. Т. 1. - ТюмГНГУ, 2014 - С. 44-49.
6. Овчинников В. П., Аксенова Н. А., Рожкова О. В., Федоровская В. А. Использование доменных шлаков для повышения качества крепления высокотемпературных скважин // Теоретические и прикладные аспекты современной науки: сборник научных трудов по материалам III научно-практической конференции 30 сентября 2014.; в 5 ч. - Белгород: ИП Петрова М. Г., 2014. - Часть I. - С. 127-132.
Сведения об авторах
Овчинников Василий Петрович, д. т. н.,
профессор, главный научный сотрудник, Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363, e-mail: bure-nie@rambler. ru
Аксенова Наталья Александровна, к т. н., доцент кафедры «Нефтегазовое дело», филиал Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Нижневартовск, тел. 89222666643, e-mail: na-acs@yandex.ru
Рожкова Оксана Владимировна, ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363, e-mail: burenie@rambler. ru
Харитонова Татьяна Александровна, к. т. н., доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363, e-mail: burenie@rambler.ru
Федоровская Виктория Аркадьевна, ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363, e-mail: burenie@rambler.ru
Information about the authors Ovchinnikov V. P., Doctor of Engineering, professor, chief scientific worker, Tyumen State University, phone: 8(3452)390363, e-mail: bure-nie@rambler.ru
Aksyonova N. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Oil and Gas Business», Tyumen State Oil and Gas University Affiliate in Nizhnevartovsk, phone: 89222666643, email: na-acs@yandex.ru
Rozhkova O. V., assistant of the chair «Drilling of oil and gas wells», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)390363, e-mail: bure-nie@rambler.ru
Kharitonova T. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Drilling of oil and gas wells», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)390363, e-mail: bure-nie@rambler.ru
Fedorovskaya V. A., assistant of the chair «Drilling of oil and gas wells», Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)390363, e-mail: bu-renie@rambler.ru
