|
||||
|
|
||||
Проектирование и разработка термостойкого тампонажного материалаHeat resistant cement design and development В статье представлены результаты разработки термостойкого тампонажного материала. Решены вопросы оптимизации технологических свойств тампонажных растворов. The article represents the results of heat resistant cement development and overview of cement slurry properties optimization issues. Традиционные портландцементы могут применяться при креплении скважин, имеющих температуру ниже 100°C. При более высоких температурах цементный камень начинает терять свою прочность и увеличивать проницаемость. Причем, чем выше температура, тем быстрее происходит деструкция цементного камня. Ограничение температурного интервала применения тампонажного портландцемента связано с процессами термической коррозии, суть которой состоит во внутрифазовой и межфазовой перекристаллизации продуктов твердения [1]. Быстрое снижение прочности при температурах более 100оС связано именно с межфазовой перекристаллизацией высокоосновных продуктов твердения. Обязательным условием протекания процесса перекристаллизации является присутствие жидкой фазы (воды), благодаря которой происходит перекристаллизация. Суть термической коррозии состоит в том, что первоначально образовавшиеся продукты твердения растворяются в поровой жидкости и на их основе возникают новые, т. е. неустойчивое соединение растворяется в поровой жидкости и из нее выкристаллизовывается новое, более устойчивое. Поскольку возникновение новых продуктов происходит при меньших степенях пересыщения, то количество их значительно меньше, а размеры кристаллов больше. Соответственно, количество контактов срастания становится существенно меньше, прочность цементного камня снижается и ухудшаются другие технологически важные свойства. Именно фазовые переходы представляют наибольшую опасность для цементного камня, твердеющего в гидротермальных условиях. Наибольшую склонность к термической коррозии имеют высокоосновные продукты твердения, имеющие С/S ≥ 1,5, тогда как, термически стойкими являются низкоосновные гидросиликты кальция, имеющие С/S < 1,2. Таким образом, необходимым условием получения термостойких продуктов твердения является наличие в составе продуктов твердения фаз, имеющих С/S < 1,2. Практическая реализация этого условия не представляет серьезных сложностей и может решаться добавкой кремнеземсодержащих компонентов к цементу. Однако этот путь не всегда обеспечивает максимальные физико-механические свойства камня. Кравцовым В.М. и др. было показано, что при высокотемпературном твердении вяжущих необходимо учитывать предысторию образования гидратных фаз [2]. Первичным продуктом гидротермального твердения является высокоосновный гидросиликат кальция C2SH2. В дальнейшем C2SH2, являясь термодинамически нестойким соединением, переходит в более стабильные фазы C2SH(A) и CSH (В). Возможность перехода в одну из отмеченных фаз связана с соотношением CaO/SiO в вяжущем. При наличии в системе свободной извести гидросиликаты кальция типа C2SH2 по истечении времени их устойчивого существования начнут перекристаллизовываться в другую, богатую известью фазу С2SH(А). Двухосновные гидросиликаты С2SH(А) представляют собой призматические пластинки, группирующиеся в процессе твердения в звездчатые агрегаты, обладающие слабой структурообразующей способностью, низкой удельной поверхностью с малым числом контактов срастания. Это приводит к тому, что переход системы в C2SH(А) сопровождается значительным сбросом прочности. Фаза C2SH(А) в дальнейшем может переходить в СSH(В). При низких значениях С/S системы реакция образования С2SH2 будет идти до тех пор, пока не израсходуется известь, а далее начнутся процессы взаимодействия С2SH2 с кремнеземом, что приведет к понижению основности продуктов твердения и образованию низкоосновных гидросиликатов кальция СSH(В), формирующихся также, как и высокоосновные С2SH(А) на базе гидросиликата кальция С2SH2, однако переход С2SH2 в СSH(В) сопровождается незначительным сбросом прочности из-за того, что они имеют сходное строение. Цементный камень на основе СSH(В) имеет высокую прочность благодаря высокоразвитой поверхности гидрата и большого числа контактов срастания. Фазовые переходы сопровождаются изменениями объема твердой фазы от ступени к ступени:  Согласно Ю.М. Бутту, при C/S = 0,85 и Т = 175°C более вероятно образование СSH (А). При C/S = 0,3 фаза С2SH2 сразу переходит в CSH(В) без промежуточного образования С2SН(А) [3]. Таким образом, образованию термостабильных низкоосновных гидросиликатов кальция всегда предшествует появление высокоосновных. Эти явления неизбежно сопровождаются потерей или снижением прочностных характеристик камня. Длительные эксперименты, проведенные В.С.Данюшевским [1], подтвердили указанный факт. Применительно к тампонажным материалам для высокотемпературных скважин есть несколько путей образования термодинамически устойчивых гидросиликатных структур, состоящих из СSH(В): – одностадийный (в результате понижения основности гидрата С2SH2 ):   В этой связи, задачу получения термостойкого высокотемпературного цемента можно формулировать как максимальное замедление скорости поступления СаО в раствор для того, чтобы ее количество в нем всегда было меньше количества SiO2. В табл. 1 приведена характеристика способов получения термостойких цементов на основе различных вяжущих. Табл. 1. Получение термостойких цементов
Фазовый анализ сырьевых компонентов показал, что наилучшим материалом, содержащим γ-C2S, является саморассыпающийся шлак (СРШ). Проведенными расчетами установлено, что для получения термостойкого цемента соотношение саморассыпающегося шлака с молотым песком должно быть от 60:40 до 40:60. В качестве кремнеземистой добавки использован молотый кварцевый песок. Для лучшей гомогенизации получаемой тампонажной смеси, а также некоторого повышения активности кремнеземистого компонента была обоснована и рекомендована дезинтеграторная технология [4]. Шлакопесчаные смеси получили название СТШПР «ACTIVE» – смесь тампонажная шлакопесчаная, расширяющаяся, активированная:
Табл. 2. Физико-механические свойства шлакопесчаных смесей
Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН 407 с использованием программы для управления процессом съемки DIFWin 1 и программы обработки данных ТoUDFpr. Дифрактограммы полученных в результате съемки образцов практически идентичны и представлены на рисунке. 
Рис. Рентгенограммы продуктов твердения СТШПР ACTIVE-200 через 2 и 7 суток (Т=200°С, Р=70 МПа)
Далее была проведена идентификация образцов с базой данных. При этом проводилась обработка данных в программе «Поиск соответствия» и сравнение образца с картотекой базы данных. Результаты поиска показали, что продукты твердения цементного камня представлены следующими соединениями:
Результаты рентгенофазового анализа показали, что в испытуемых образцах не обнаружено ни свободного гидроксида кальция, ни высокоосновных гидросиликатов кальция. Это свидетельствует о том, что даже за короткий срок твердения испытуемого цемента процессы формирования низкоосновных гидросиликатов кальция завершились, реализовав принцип их одностадийного синтеза. Данный факт свидетельствует о невозможности протекания процессов межфазовой перекристаллизации и свидетельствует о высокой термической стойкости цементного камня. Для указанных цементов была разработана высокотемпературная расширяющая добавка, результаты исследования которой приведены в табл. 3. Табл. 3. Результаты исследования расширения СТШПР ACTIVE-200
При этом также решены вопросы оптимизации технологических свойств тампонажных растворов. Литература
References
КомментарииФункция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей
|
Авторизация 
Ключевые слова: ООО «Цементные технологии», термостойкий тампонажный цемент, проектирование, разработка, оптимизация технологических свойств Keywords: Tsementnye Tekhnologii LLC, cement slurry, design, development, properties optimization
Просмотров статьи: 211 
| |||
