щ
наука - производству
результаты исследования влияния шлака на термостойкость цементного камня
В.П.ОВЧИННИКОВ,
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Геотехники»
М.В. ЛУЗАН,
аспирант
Н.В. ПАРХОМЧУК,
аспирант
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
ovptmn@gmail.ru
О.В. РОЖКОВА,
аспирант, ассистент кафедры БНиГС
В.А. ФЕДОРОВСКАЯ,
магистр, кафедры БНиГС
Н.А. АКСЕНОВА,
к.т.н, доцент, доцент кафедры БНиГС
Тюменский государственный нефтегазовый университет
darenok@bk.ru
В статье представлены исследования тампонажных композиций с добавлением шлака на прочность при повышенных температурах.
Ключевые слова: тампо-нажный раствор , доменный шлак, плотность, прочность, сжатие, температура
THE RESEARCH RESULTS OF INFLUENCE OF SLAG ON THE RESISTANCE OF CEMENT STONE
V. OVCHINNIKOV, M. LUZAN, N. PARKHOMCHUK, Tyumen state university of architecture and construction O. ROZHKOVA, V. FEDOROVSKAYA, N. AKSENOVA, Tyumen state oil and gas University
The article presents studies of cementing compositions with the addition of slag on strength at elevated temperatures
Keywords: cementing slurry, blastfurnace slag, consistence, resistance power, compression, temperature
В последние годы актуальным стал вопрос будущего дефицита энергетических ресурсов, который связан с истощением легкодоступных для освоения месторождений запасов нефти и газа в нашей стране. Растет доля месторождений, требующих дополнительных затрат. Одним из источников увеличения добычи нефти и газа является бурение глубоких, а следовательно, высокотемпературных скважин.
Строительство скважин в условиях повышенных температур требует нового подхода к креплению обсадных колонн в части применения термоустойчивых там-понажных материалов. Выпускаемые отечественной промышленностью обычные тампонажные цементы малопригодны в таких условиях, так как сформированный из портландцемента камень является термодинамически неустойчивым, к тому же при воздействии агрессивных сред он подвержен коррозии [1]. При высоких температурах (более 100° С) цементный камень теряет свою прочность, увеличивается проницаемость. Причем чем выше температура, тем интенсивнее протекают деструкционные явления, обусловленные физико-химическими процессами, которые влияют на стабильность его состоя-
ния, способствуют развитию коррозии, а также, вследствие напряженно-деформированного состояния крепи скважины, смятию обсадных колонн. Реальный путь защиты обсадных труб - это разработка рецептур тампонажных материалов, обладающих высоким сцеплением с поверхностью обсадной колонны, прочностью и термостойкостью, что можно обеспечить использованием молотого гранулированного доменного шлака [2].
В настоящее время исследованы и нашли широкое применение шлаки домен-
Реальный путь защиты обсадных труб - это разработка рецептур тампонажных материалов, обладающих высоким сцеплением с поверхностью обсадной колонны, прочностью и термостойкостью, что можно обеспечить использованием молотого гранулированного доменного шлака.
Химический состав
Табл. 1. Физико-химические свойства шлака
Физические свойства
Показатели Значение Показатели Значение
1 2 3 4
СаО 35,0 - 45,0 Размер зерна: содержание фракции 0,080 мм, % содержание фракции 0,020 мм, % не менее 98,0 не менее 60,0
SiO2 35,0 - 45,0
al2o3 > 7,5
MgO < 1,5 удельная поверхность, м2/кг 450
FeO < 2,0 влажность, % не более 0,3
Na2O 0,5 - 1,0 содержание стекловидной фазы,% 66,6
K2O 1,0 - 1,5 активность твердения шлака в нормальных условиях в возрасте 28 суток, МПа не менее 10
TiO2 1,0
S < 1,0 удельная эффективная активность естественных радионуклидов, БК/кг не более 370
Примечание: шлак - пожаровзрывобезопасный материал, не оказывающий влияния на организм человека, общетоксичного действия (IV класс опасности)
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 10/2015
наука - производству
щ
Табл. 2. Состав исследуемых тампонажных растворов
Состав, % (шлак / ПЦТ-1-100) Плотность, кг/м3 Растекае-мость, мм Водоотделе-ние, %
1 2 3 4
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
ных производств, расположенных в Украине. Однако результаты исследований показывают, что их физико-химические свойства зависят от режимных параметров плавки, отсюда изменчивый характер свойств конечного продукта. Поэтому необходимо изучение свойств шлаков каждого металлургического производства. Другой, немаловажной причиной расширения области рационального использования шлаков является отсутствие современного оборудования по его помолу до необходимой «тонины» и смешения, для обеспечения однородности композиционного материала [3].
Это и побудило представителей металлургического бизнеса разработать проект производства по рациональному использованию гранулированных шлаков металлургических комбинатов города Челябинска. Его уникальность заключается в технологии помола вертикальными валковыми мельницами, дающими возможность помола до 450 - 600 м2/кг по Блэйну, тогда как в шаровых мельницах тонкость помола не превышает 350 м2/кг. Технология позволяет перерабатывать большое количество гранулированного доменного шлака в сочетании с портландцементом, без потери технологических свойств. Физико-химические свойства гранулированного доменного шлака представлены в табл. 1.
Шлак используется совместно с портландцементом и его содержание может быть порядка 50% и более, в зависимости от ожидаемой температуры окружающей среды. При этом ожидается улучшение следующих свойств: увеличение реакционной способности с повы-
Табл. 3. Свойства составов при различных температурах и давлениях
Состав, % Т=750С Т=900С Т=1200С Т=1500С
Р=10 МПа Р=10 МПа Р=30 МПа Р=50 МПа
Шлак доменный ПЦТ 1-100 Нач. схв. ч-мин. Прочн. на изг. МПа, 5 сут. Нач. схв. ч-мин. Прочн. на изг. МПа, 5 сут. Нач. схв. ч-мин. Прочн. на изг. МПа, 5 сут. Нач. схв. ч-мин. Прочн. на изг. МПа, 5 сут.
20 80 3 - 00 3,5 1 - 50 4,30 1 - 20 3,3 1 - 00 4,1
40 60 3 - 45 5,4 2 - 45 6,7 1 - 50 4,0 1 - 30 2,9
50 50 4 - 00 3,3 3 -20 4,0 2 - 05 4,3 1 - 25 3,0
70 30 4 - 30 3,1 4 - 00 3,0 2 - 25 - 1 - 35 1,7
80 20 5 - 10 - 4 - 00 - 2 - 25 2,2 1 - 40 1,5
90 10 6 -30 - 6 - 00 - 3 - 40 - 1 - 50 -
Состав, % Т=2000С Т=2500С Т=3000С
Р=70 МПа Р=70 МПа Р=70 МПа
Шлак ПЦТ 1-100 Р, к г/м3 Нач. Прочн. на изг. Нач. Прочн. на изг. Нач. Прочн. на изг.
доменный схв. ч-мин. МПа, 24 часа схв. ч-мин. МПа, 24 часа схв. ч-мин. МПа, 24 часа
20 80 1820 1 - 50 4,30 1 - 20 3,3 1 - 00 4,1
40 60 1825 2 - 45 6,7 1 - 50 4,0 1 - 30 2,9
50 50 1830 3 - 20 4,0 2 - 05 4,3 1 - 25 3,0
70 30 1840 4 - 00 3,0 2 - 25 - 1 - 35 1,7
80 20 1840 4 - 00 - 2 - 25 2,2 1 - 40 1,5
90 10 1850 6 - 00 - 3 -40 - 1 - 50 -
шением показателей водонепроницаемости прочности; коррозионно-, термо- и трещинностойкости за счет уплотнения и упрочнения структуры; понижение величин усадочных деформаций, обусловленных явлениями контракции; возможность введения дисперсных заполнителей из некондиционных силикатных материалов, химических добавок (пластификаторов, суперпластификаторов, регуляторов сроков твердения, фильтрато-отдачи и фильтратоотделения и др.) для регулирования эксплуатационных и технологических свойств [4].
Для подтверждения данных предположений были проведены лабораторные исследования составов там-понажных растворов на основе доменного шлака ООО «Мечел-Материалы» и ПЦТ 1-100 Сухоложского цементного завода.
Показатели плотности, растекаемости и водоотде-ления представлены в табл. 2.
Показано, что плотность раствора практически не меняется при изменении состава композиций. Расте-каемость остается в пределах допустимых норм. Се-диментационная устойчивость раствора удовлетворительно стабильна.
В табл. 3 представлены значения сроков схватывания тампонажного раствора, а также прочность на изгиб цементного камня, сформированного при температурах от 75 до 200 оС и давлении от 10 до 70 МПа, в суточном и пятидневном возрасте.
Механическая прочность цементного камня из приведенных составов меняется в зависимости от количества шлака и портландцемента. Сроки схватывания шлакопортладцементного раствора длительнее сроков схватывания растворов из бездобавочных портландце-ментов. Повышение температуры и давления приводит к интенсификации процессов твердения растворов [5].
Медленный рост прочности наблюдается в интервале температур от 75 до 150 0С и резкий набор прочности - при температуре свыше 150 0С. Данный характер изменения прочности объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается растворимость исходного вяжущего, меняется состав жидкой фазы, что приводит к образованию стабильных в данных температурных условиях гидратных новообразований. Повышение температуры твердения от 75 до 150 °С, а затем до 200 0С качественно не меняет их состав, изменяется их количественное содержание. Интенсифицируются реакции гидролиза и гидратации, с образованием низкоосновных гидросиликатов и гидрокарбонатов кальция, придающих камню высокую прочность [6].
На рис. 1 представлена зависимость изменения прочности на сжатие цементного камня, сформированного при различных соотношениях шлак/ПЦТ и температуре 80 оС в возрасте 24 часа, 2,3 и 10 суток нахождения в водяной бане.
Из представленных результатов можно сделать выводы, что уже после трех суток нахождения в водной среде, при температуре 80 оС, цементный
БУРЕНИЕ
И НЕФТЬ 1 0/201 5
щ
наука - производству
90 80 70 60 50 40 30 Количество шлака в образце, %
24 чд«
10 0
Рис. 1. Зависимость изменения прочности на сжатие цементного камня, сформированного при различных соотношениях шлак/ПЦТ и температуре 80 оС в возрасте 24 часа, 2, 3 и 10 суток нахождения в водяной бане
10 суток 3 суток 48 часов 24 часа
100 50 0
Количество доменного шлака в образце, %
Рис. 2. Прочность на сжатие образцов цементного камня, сформированных при температуре 80 0С при содержании шлака 100%, 50% и 0%
камень, сформированный из портландцемента и шлака в соотношении от 30:70 до 60:40, приобретает стабильную прочность
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.