CC BY
13
УДК 622.245.1
Авлезова А.Э., Кривобородов Ю.Р.
СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТОВ С ДОБАВКОЙ СУЛЬФОАЛЮМИНАТНОГО КЛИНКЕРА
Авлезова Айжамал Эрмековна, студентка 1 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
Получение и исследование свойств тампонажных цементов, способных твердеть при отрицательных температурах, являются приоритетными направлениями в строительстве скважин на нефтегазовых месторождениях Крайнего севера. В настоящей работе представлены исследования цемента с добавкой сульфоалюминатного клинкера. Для обеспечения гидратационных свойств вяжущего в арктических условиях также использовали суперпластификатор С-3 и противоморозную добавку. Установлено, что прочностные характеристики цементов с еульфоалюминатным клинкером имеют высокие значения, удовлетворяющие поставленным целям.
Ключевые слова: тампонажный цемент, сульфоалюминатный клинкер, суперпластификатор, прочностные свойства цементного камня.
PROPERTIES OF О^-WELL CEMENT WITH A SULFOALUMINATE CLINKER ADDITIVE
Avlezova A.E., Krivoborodov Y.R.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Obtaining and investigating the properties of oil-well cement that can harden at negative temperatures are priority areas in the construction of wells in the oil and gas fields of the Far North. In this paper, studies of cement with the addition of sulfoaluminous clinker are presented. To ensure the hydration properties of the binder in arctic conditions, the superplasticizer C-3 and the antifreeze additive were also used. It has been established that the strength characteristics of cements with sulfoaluminate clinker have high values that satisfy the stated goals.
Keywords: Oil well cement, sulphoaluminate clinker, superplasticizer, strength properties of cement stone.
Цементирование скважин в многолетнемерзлых породах сопряжено со значительными трудностями, которые вызваны длительными сроками схватывания и замерзанием цементного раствора обычной плотности; низкими прочностными показателями; водоотделением раствора и низкой водостойкостью камня на основе гипсовых вяжущих; отсутствием кольматирующих
седиментационно устойчивых растворов
пониженной плотности с заданными физико-механическими и теплофизическими свойствами. Это приводит к 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 [1].
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 [2-6].
Перепад температур между внутренней колонной и внешней породой, вызванный градиентом температур, ведет к возникновению напряжений в цементном камне типа "напряжение-
сжатие", что приводит к возникновению дефектов в цементном камне и снижению сцепления в системе "порода-цементное кольцо-колонна". Эти напряжения возникают в связи с тем, что процесс гидратации цемента и рост прочности цементного камня протекает более интенсивно в зоне с повышенной температурой (прилегающей к обсадной колонне) по сравнению с периферийной зоной, прилегающей к породе. Градиент температуры вызывает возникновение тепло- и массопереноса. При этом часть воды уходит в холодную зону и кристаллизуется на дендритах льда, растущих со стороны мерзлой породы и оттесняющих частицы цемента в теплую зону. Гидратация цемента в последней протекает в более стесненных условиях [7].
Рыхлые подвижные зоны на границе замёршей части и схватившегося цементного раствора являются причиной отсутствия сцепления цементного камня с породой и нарушения герметичности затрубного пространства. 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 создания тампонажных цементов, предназначенных для цементирования скважин в арктических условиях и в зонах с многолетнемерздых пород, необходимо
использовать компоненты, имеющие высокую экзотермию процесса гидратации. К таким материалам относится сульфоалюминатный клинкер [8, 9].
Сульфоалюминатный цемент имеет также и существенный недостаток: короткие сроки схватывания (и, соответственно, быстрое загустевание тампонажного раствора) при нормальных температурах. 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:
- тампонажный цемент ПЦТ 50 (АО « Сухоложскцемент»);
- сульфоалюминатный клинкер (АО «Подольск-Цемент»), состав которого представлен в табл. 1;
- суперпластификатор С-3 (АО «Полипласт»).
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.
Таблица 1 - Химический анализ сульфоалюминатного клинкера
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
ПЦ САК С-3 -5 0С +200С -5 0С +200С
95 5 - 28 20,5 27,3 4,6 6,1
95 5 0,3 26 20,8 31,0 5,2 6,7
95 5 0,5 25 21,9 32,6 5,5 7,1
95 5 0,7 25 23,0 36,9 5,8 7,8
95 5 1,0 24 24,6 38,2 6,2 7,9
95 5 3,0 23 26,0 40,0 6,3 8,7
Таким образом, тампонажный цемент на основе портландцемента с сульфоалюминатной добавкой на вторые сутки твердения имеет прочность на изгиб при отрицательных температурах от 4,6 до 6,3 МПа, при положительных температурах от 6,06 до 8,7 МПа. Прочность на сжатие при -5 0С имеет значения от 20,5 до 26 МПа, при +200С от 27,3 до 40 МПа. Увеличение содержания С-3 в составе тампонажных смесей приводит к увеличению прочности на сжатие и изгиб, что показывает возможность их использования в ответственных конструкциях нефтяных скважин.
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. Патент РФ № 2245990 / 10.02.2005. Бюл. №4
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. Кривобородов Ю.Р., Клюсов И.А., Фролов А.А., Самченко С.В. Разновидности тампонажных цементов и их свойства. - М.: 000 "ИРЦ Газпром", 2003. - 70 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.
