CC BY
18
УДК 666.946
Авлезова А.Э., Кривобородов Ю.Р.
СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФОАЛЮМИНАТНОГО КЛИНКЕРА
Авлезова Айжамал Эрмековна, студентка 2 курса магистратуры факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: aizh16@bk.ru;
Кривобородов Юрий Романович, д.т.н., профессор, профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Одним из важных направлений исследований научных институтов и сервисных центров является разработка тампонажных цементов, необходимых при строительстве скважин на нефтегазовых месторождениях Крайнего Севера. В настоящей работе представлены исследования свойств тампонажного цемента с добавкой сульфоалюминатного клинкера. Для обеспечения процессов гидратации вяжущего в арктических условиях также использовали противоморозные добавки. Установлено, что прочностные характеристики цементов с cульфоалюминатным клинкером имеют высокие значения, удовлетворяющие поставленным целям.
Ключевые слова: тампонажный цемент, сульфоалюминатный клинкер, противоморозная добавка, прочностные свойства цементного камня.
PROPERTIES OF О^-WELL CEMENT BASED ON SULFOALUMINATE CLINKER
Avlezova A.E., Krivoborodov Y.R.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
One of the important areas of research of scientific institutes and service centers is the development of oil-well cements, which are necessary for the construction of wells in the oil and gas fields of the Far North. This paper presents studies of the properties of oil-well cement with the addition of sulfoaluminate clinker. To ensure the processes of hydration of the binder in the arctic conditions also used antifreeze additives. It has been established that the strength characteristics of cements with sulfoaluminate clinker have high values that meet set goals.
Keywords: Oil well cement, sulphoaluminate clinker, antifreezing agent, strength properties of cement stone.
Разнообразие геокриологических условий нефтегазовых месторождений Крайнего Севера не позволяет создать универсальный способ цементирования, регламентируя использование стандартного ассортимента тампонажных цементов. Комплекс мероприятий, направленных на изменение показателя водоотделения и водостойкости, реологических параметров, времени загустевания, сроков схватывания, теплофизических свойств повышения седиментационной устойчивости позволяет сервисным компаниям и научным институтам оптимизировать процесс и качество крепления скважин. Технологические ошибки в необратимом процессе формирования цементного камня в заколонном пространстве могут привести к некачественному разобщению пластов; короткому сроку службы сооружения и аварийным ситуациям: потере устойчивости обсадных колонн, их смятию при проседании и обратном промерзании пород и жидкостей, оставленных в межколонном пространстве; возникновению грифонов,
газопроявлений и открытых газовых фонтанов, приводящих к ликвидации скважин; а также значительным экономическим затратам по ликвидации брака и в конечном счете свести к нулю ожидаемый эффект качества цементирования [1].
В настоящее время, для решения этих проблем как в нашей стране, так и за рубежом, прибегают к использованию различных технических решений, таких как: интенсификация процесса твердения цемента, разработка составов тампонажных материалов и способов цементирования, а также рационального недропользования и экологической безопасности [2-6].
Проницаемость тампонажного камня в ранние сроки твердения при низких температурах высока. Механическая цементного камня повышается, а проницаемость с течением времени уменьшается даже если в случае твердения образцов при температурах, близких к нулю. После оттаивания тампонажного раствора он загустевает, но затвердевает, если температура становится положительной. Камень из цементного раствора, твердеющего при температурах, близких к нулю, часто имеет включения льда, при оттаивании которого появляются трещины, а иногда и каналы. Количество и размеры трещин зависят от различных факторов, к которым относятся сроки замораживания и схватывания, температура оттаивания, водоцементное отношение и другие [7].
Введение в цементный раствор добавок-ускорителей, понижающих одновременно
температуру замерзания жидкой фазы, не вызывает образование дендритов льда, хотя за счёт термоосмотического эффекта часть жидкой фазы всё же мигрирует в холодную часть цементного кольца. При этом воздействие низких температур на твердеющий цемент вызывает энергетические отклонения в процессе его гидратации в отличие от гидратации при нормальной температуре. Понижение температуры замедляет гидратацию клинкерных минералов и при отрицательной температуре гидратация резко замедляется и формирования структуры камня не происходит. В то же время для реакций, идущих с интенсивным выделением тепла, по закону смещения равновесия, понижение температуры способствует увеличению количества соединений, образующихся в результате экзотермических реакций.
В связи с этим, для цементирования скважин в арктических условиях и в зонах с многолетнемерзлых пород необходимо использовать тампонажные растворы, компоненты которых имеют высокую экзотермию процесса гидратации. К таким материалам относится сульфоалюминатный клинкер [8-10].
Таблица 1 - Химический анализ сульфоалюминатного кли
Однако, сульфоалюминатный цемент имеет существенный недостаток: короткие сроки схватывания (и, соответственно, быстрое загустевание тампонажного раствора) при нормальных температурах, что не позволяет его использовать в чистом виде для цементирования низкотемпературных скважин. Для увеличения времени загустевания тампонажного раствора необходимо замедление сроков схватывания цемента, что может быть достигнуто путем ввода в его состав пластификаторов и противоморозных добавок.
В работе использовали:
- сульфоалюминатный клинкер (АО «Подольск-Цемент»), состав которого представлен в табл. 1;
- противоморозная добавка СаС12 (ООО «Альянс -Строительные Технологии»).
Для исследования влияния отдельных компонентов готовились композиции с конкретной добавкой. Формовались образцы-балочки, которые твердели в течение 2 сут при разных температурах: при температуре -5 и +20 в камере нормального твердения. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
ППП SiÜ2 Al2Ü3 Fe2Ü3 CaÜ MgÜ SÜ3
0,55 10,90 22,9 4,22 54,54 1,67 3,22
Таблица 2 - Состав и свойства тампонажных смесей
Состав смеси, % В/Ц, % Прочность на сжатие, МПа Прочность на изгиб, МПа
САК Гипс СaCl2 -5 0С +200С -5 0С +200С
95 5 - 50 17,8 20,7 5,7 6,3
95 5 1,0 39 18,1 21,8 5,9 7,4
95 5 3,0 41 23,9 38,5 6,3 13,6
Таким образом, тампонажный цемент на основе сульфоалюминатного цемента на вторые сутки твердения имеет прочность на изгиб при отрицательных температурах от 5,7 до 6,3 МПа, при положительных температурах от 6,3 до 13,6 МПа. Прочность на сжатие при -5 0С имеет значения от 17,8 до 23,9 МПа, при +200С от 20,7 до 38,5 МПа. Увеличение содержания СаС12 в составе тампонажных смесей приводит к увеличению прочности на сжатие и изгиб, что показывает принципиальную возможность их использования в ответственных конструкциях нефтяных скважин Крайнего Севера.
Список литературы
1. Кривобородов Ю.Р., Спицын В.В., Клюсов В.А. Тампонажные цементы для низкотемпературных скважин: монография. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2002. - 125 с.
2. Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Цементирующие материалы для нефтегазовых скважин с серводородной агрессией // Тез. докл. ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Екатеринбург, 2016. т. 4, С. 116.
3. Кривобородов Ю.Р. Тампонажный цемент для скважин с аномально высокими пластовыми
давлениями // Техника и технология силикатов. 1999. № 1-2. - С. 4-7.
4. Данюшевский В.С. Проектирование оптимальных составов тампонажных материалов. М.: Недра,
1980. - 293 с.
5. Клюсов А.А., Шаляпин М.М., Кузнецова Т.В. и др. Быстросхватывающиеся тампонажные материалы для низкотемпературных скважин. - М.: ВНИИЭгазпром, 1987. - 32 с.
6. Lota J., Bensted J., Pratt P. Effect of sodium alumínate on class G oil well cement hydration at low and ambient temperatures. // Proceed. of 10th ICCC, 1997, v.3. - 3iii014, 8 pp.
7. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин.- М.: «Недра»,1991.-334 с.
8. Кузнецова Т.В. Алюминатные и сульфоалюминатные цементы. - М.: Стройиздат, 1986. - 208 с.
9. Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В. Состав и свойства расширяющихся цементов: учеб. пособие. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. - 54 с.
10. Кузнецова Т.В., Кривобородов Ю.Р. Состав, свойства и применение специальных цементов / Технологии бетонов. М., 2014, №2, С. 8-11.
