щ
наука - производству
Перспективы рационального использования шлаков в получении шлакопортландцемнтов
В.П.ОВЧИННИКОВ,
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Геотехника»
8 (345) 239-03-63
Н.В. ПАРХОМЧУК,
аспирант
М.В. ЛУЗАН,
аспирант
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
Н.А. АКСЕНОВА,
к.т.н., доцент кафедры БНиГС
О.В. РОЖКОВА,
аспирант, ассистент кафедры БНиГС
В.А. ФЕДОРОВСКАЯ,
магистр
Тюменский государственный нефтегазовый университет
В статье представлены проведенные исследования различных составов тампонажных растворов с различным соотношением ПЦТ 1 - G и доменного шлака Челябинского металлургического завода с водоцементным отношением 0,55.
PROSPECTS FOR THE RATIONAL USING SLAGS ENSURING PORTLANDSLAG CEMENTS
V.OVCHINNIKOV, N. PARKHOMCHUK, M.LUZAN, Tyumen state architecture university N. AKSENOVA, O. ROZHKOVA, V. FEDOROVSKAYA, Tyumen' State oil and gas university
The investigations of various cementing slurry with different ratio of PCT-1 and Chelyabinsk Metallurgie plant's blastfurnace slag with water-cement ratio of 0,55 are represented in this article.
Keywords: cementing slurry, blastfurnace slag, consistence, resistance power, viscosity, sedimentation
Обеспечение качества разобщения продуктивных нефтегазосодер-жащих пластов с высокими термодинамическими характеристиками наряду со снижением стоимости строительства скважин, в особенности глубоких (более 3000 м), является сегодня, во время санкций со стороны Европейского союза, особенно актуальным и приоритетным направлением.
В исследованиях еще прошлого столетия [1 - 4] было показано и доказано, что применение шлаков металлургического производства взамен либо в сочетании с тампонажным портландцементом способствует созданию термостойкого камня в заколонном пространстве, в интервалах с температурами более 80 оС. Однако их применение ограничивается составом шлака, меняющегося в зависимости от технологического режима плавки, седиментационной неустойчивости тампонажного раствора на его основе, усадочных деформаций в процессе формирования цементного камня [5, 6].
Табл. 1. Химической состав доменного шлака
CaO SiO2 Al2O3 MgO FeO Na2O K2O TiO2 MnO S Mo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
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
В указных работах исследовались и были рекомендованы к применению в области строительства скважин шлаки металлургических заводов, расположенных на территории Украины [6]. Очевидно, что в связи со сложившейся сегодня обстановкой необходим поиск альтернативного поставщика. И в данном случае был рассмотрен вариант использования шлака гранулированного, доменного. Его физико-химический состав (усред-
В исследованиях еще прошлого столетия было показано и доказано, что применение шлаков металлургического производства взамен, либо в сочетании с тампонажным портландцементом способствует созданию термостойкого камня в заколонном пространстве, в интервалах с температурами более 80 оС.
ненный) представлен в табл. 1 и 2. Доменный шлак - это неметаллический продукт, состоящий из силикатов и алюминатов кальция. Он пожаро- и взрыво-безопасен, не оказывает влияния на организм человека и относится к IV классу опасности. Шлак является отходом производства стали (чугуна) в доменной печи в виде расплава и затем охлаждается. При быстром охлаждении водой, паром или воздухом образуется гранулированный шлак, при медленном — комо-вый. Высокую гидравлическую активность доменный шлак приобретает при очень быстром охлаждении или грануляции водой. Медленно охлаждаемый шлак успевает до некоторой степени закристаллизоваться, и его гидравлические свойства снижаются [4].
Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 85% всего состава шлака. Остальные 15% -марганец, соединения железа и серы,
наука - производству
щ
«следовое» количество других элементов. Фазовый состав шлаков представлен различным соотношением двух фаз: кристаллической (мелилиты, двухкальциевый силикат, волластонит, монтичеллит, форстерит, шпинель) и стекловидной (кальциево-маг-ниево-алюмосиликатное стекло переменного состава) [7].
Условные характеристики шлаков - модули основности (Мо) и активности (Ма).
100/0 80/20 60/40 50/50 40/60 20/80 0/100
При Мо > 1 шлаки называются основными, а при Мо < 1 - кислыми. Чем выше модуль активности, тем выше гидравлические свойства и прочность камня [8]. 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, хранения шлака и т.д.
Табл. 2. Параметры доменного шлака
Температура, °С
Рис.1. Изменение предела прочности цементного камня на сжатие от
температуры твердения
Показатель Ед. изм. Параметры
1 2 3
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 МПа не менее 10
возрасте 28 суток,не менее
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, не более Бк/кг не менее 370
Процесс твердения шлаков связан с образованием тех же продуктов гидратации, что и у портландцемента, однако ввиду низкой основности продуктов твердения, гидроксид кальция в свободном виде практически не образуется. Присутствуют низкоосновные гидросиликаты кальция, гидрогранаты, а также гидрат геленита (2Са0-А1203^Ю2-2Н20). Для ускорения гидратации и твердения цементов на шлаковой основе применяют химическую активацию путем введения щелочей и сульфатов, обычно в виде оксида или гидроксида кальция и гипса; используют добавку портландцемента, поставляющего Са(ОН)2 при гидратации алита. В табл. 4 представлены данные об изменении сроков схватывания шлаковых растворов с различным содержанием портландцемента.
Шлаковый раствор при температуре 22 оС довольно медленно схватывается. Добавление 10% портландцемента приводит к резкому сокращению сроков схваты-
□сновные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 85% всего состава шлака. Остальные 1 5% - марганец, соединения железа и серы, «следовое» количество других элементов.
вания раствора, причем основную роль при этом играет портландцемент. Дальнейшее увеличение его количества в растворе способствует незначительному последовательному ускорению процессов схватывания [6].
На первом этапе достижения поставленной цели (оценка возможности использования шлаков) были проведены исследования по изучению свойств раствора при различных составах шлакопортландце-ментной композиции 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 табл. 5; там же представлены и реологические параметры тампонажных растворов на их основе при водотвердом отношении 0,55.
Таким образом, плотность раствора практически не меняется в зависимости от состава композиций. Рас-текаемость остается в пределах допустимых норм. Седиментационная устойчивость раствора удовлетворительно стабильна, что говорит о допустимости дальнейшего изучения составов.
Результаты исследований прочностных показателей формирующегося камня при различных температурах окружающей среды представлены на рис. 1.
Табл. 3. Значения модулей активности и основности различных шлаков
Модули
1
Шлаки
Феррох- цветной ромовый металлургии шлак (никель, медь)
Модуль
основности (Мо)
Модуль
активности (Ма)
2
1,7-2,3
0,2-0,3
3
0,2-0,3
0,17-0,6
Сталеплавильные шлаки
4
Шлаки алюмо-термического производства металлического хрома
5
0,4-0,8
0,2-0,6
0,13-0,15
52-77
Шлаки алюмо-термического производства ферробора
6
Доменные шлаки
0,36-0,42
30-22
0,7-0,8
0,2-0,6
7
щ
наука - производству
Доменный шлак - это неметаллический продукт, состоящий из силикатов и алюминатов кальция. Юн пожаро- и взрывобезопасен, не оказывает влияния на организм человека и относится к IV классу опасности. Шлак является отходом производства стали (чугуна) в доменной печи в виде расплава и затем охлаждается. При быстром охлаждении водой, паром или воздухом образуется гранулированный шлак, при медленном — комовый.
Табл. 4. Изменение сроков схватывания шлакопортландцемента при температуре 22 0С
Состав смеси, % Содержа- Сроки схватывания, мин
Шлак доменный Цемент (ПЦТ 1^-СС-2) ние воды, % начало конец
1 2 3 4 5
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
Табл. 5. Состав исследуемых тампонажных растворов
Состав, % (шлак / ПЦТ-№СС-2) Плотность, кг/м3 Растекае-мость, мм Водоотделение, %
1 2 3 4
100-0 1710 1850 5,6
20-80 1740 210 5,68
40-60 1740 225 8,77
50-50 1740 230 9,09
60-40 1740 230 9,98
80-20 1740 235 11,55
0-100 1750 250 11,04
Табл. 6. Снижение себестоимости тампонажного раствора при использовании доменного шлака
Составляющие Базовый Новый Ориентировочная стоимость одной тонны, руб.
раствора состав, % состав, %
1 2 3 4
ПЦТ 1^-СС-2 100 60 3900
Шлак 0 40 1750
Стоимость, руб/т 3900 руб/т 3040 руб/т Экономия 860 руб/т
Установлено, что при температуре твердения 120 оС прочность на сжатие образцов в суточном возрасте состава 60% тампонажного портландцемента и 40% доменного шлака составляет 15,2 МПа, что выше требований ГОСТ 1581-96 на тампонажный портландцемент. По прочности камень, сформированный при температуре менее 60 оС, в особенности при 22 оС, при любом сочетании ингридиентов не удовлетворяет требованиям, указанным в ГОСТе.
Прочность цементного камня со шлаком увеличивается с ростом температуры от 60 - 80 оС и выше. При повышении температуры возрастает активность
ш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.