13.
опыт
КРЕМНЕЗЕМИСТЫЕ
АКТИВНЫЕ ДОБАВКИ
ДЛЯ ТАМПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТОВ
И. БЕЛЕЙ, Н. ЩЕРБИЧ, «ТюменьНИИПрогаз» Е. КОНОВАЛОВ, ОАО «Газпром» В. НОЗДРЯ, Д. САМОРУКОВ, ЗАО «Спецбурматериалы!» А. СОКОЛОВИЧ, ДООО «Бургаз»
Кремнеземистые активные добавки
при их смешении с цементом обеспечивают повышение прочности и термостойкости, а также устойчивы к агрессивным водам. Активность кремнеземистых добавок обычно определяется поглощением ими свободной окиси кальция. Однако влияние кремнеземистых добавок на улучшение свойств тампонажных цементов ограничивается не только этим.
Существуют природные и искусственные кремнеземистые добавки. К природным относятся молотый кварц и кварцевые пески, диатомит, трепела и опоки, включая цеолитсодержащие, цеолиты, вулканические стекла (перли-ты и др.). Основные их характеристики приводятся в табл. 1.
Природные кремнеземистые добавки различаются содержанием кремнезема, различными соотношениями полиморфных модификаций, разнообразными размерами и формами природных зерен, гидравлической активностью, обменной емкостью и во-допоглощением, что позволяет использовать их для получения широкого спектра тампонажных цементов. В настоящей работе рассматривается влияние высококремнеземистых добавок на основе молотого песка.
К искусственным относятся золы, белая сажа, аэросил, «сиштоф» и пр. Белая сажа и аэросил характеризуется преимущественно аморфным кремнеземом, высокой дисперсностью 1—100 мкм и 5—40 мкм соответственно, объемной массой 40—100 г/дм3 и высокой активностью. Однако из-за высокой стоимости ограничено их использование. «Сиштоф» характеризуется высоким содержанием аморфной кремневой кислоты, Л1203 до 12% и примесей Б03. В настоящее время в России не выпускается.
При строительстве глубоких скважин необходимо решить несколько серьезных проблем:
■ получить при затворении цемента тампонажный раствор с хорошими реологическими свойствами и высокой седиментационной устойчивостью;
■ обеспечить формирование высокопрочного и непроницаемого цементного камня в скважинах с высокими забойными температурами (до 200° С);
■ цементный камень должен обладать повышенной коррозионной стойкостью к пластовой агрессии.
Для этого при цементировании скважин необходимо использовать качественные термокоррозионностойкие тампонажные растворы.
Температурные ограничения для тампонажных растворов определяются в первую очередь термостойкостью исходного материала. Применяемые в настоящее время тампонажные порт-ландцементы типа ПЦТ1—100 и ПЦТ11— 100 рекомендуются для цементирования скважин в диапазоне температур 50—100° С. При более высоких температурах отмечается снижение прочности цементного камня и увеличение его проницаемости. Известно, что коэффициент проницаемости камня из чистого цементного раствора с увеличением температуры может возрастать.
Для получения термостойкого, непроницаемого цементного камня в условиях высоких температур в настоящее время производятся следующие типы цементов: ШПЦС—120 (температура применения 100—160° С), ШПЦС—200 (температура применения 160—200° С) и ПЦТ11—150 (температура применения 100—150° С). Недостатками цементов ШПЦС являются: нестабильность состава—применяемый при изготовлении цемента доменный шлак
имеет различный состав активных окислов кальция, алюминия, железа и др.; низкая седиментационная устойчивость и повышенное водоотделение цементных растворов на их основе; повышенная плотность цементного раствора (из-за пониженного ВЦ).
Наиболее оптимальным решением задачи по созданию термостойких цементов является добавка к стандартным тампонажным портландцементам тонкодисперсного кремнезема (8Ю2). Обычно в качестве такой добавки используют молотый кварцевый песок, чаще всего содержащий примеси полевого шпата, слюды, известняка. Присутствие этих примесей негативно отражается на свойствах формирующегося цементного камня: происходит резкое снижение его прочности и коррозионной стойкости. Другой важной составляющей является размер зерен добавки. Чем больше дисперсной добавки, тем выше его активность при взаимодействии с минералами цементного клинкера. В результате тщательной оценки выпускаемых кремнеземов в качестве добавки был выбран молотый пылевидный кварц производства ЗАО «Спецбурматериалы», отличающийся следующими свойствами:
■ высокой химической чистотой: 8Ю2М]98.5% с содержанием примесей Са0m0.15%, Fе20зm0.15%, А120зm0.8%;
■ высокой дисперсностью: остаток на сетке № 0063К составляет не более 9%, а средний размер зерен — около 25—30 мкм;
■ высокой удельной поверхностью — 4710 см2/г;
■ наличием в своем составе активного кремнезема а-тридимита, и крис-тобалита, опала;
■ низкой влажностью: массовая доля воды менее 0,15%.
опыт
Ж
Табл. 1
Природные кремнеземистые добавки
№ Наименование Содержание химических клмпонентов Гранулометрический состав, мкм Минералогический состав,
п/п добавки SiO2 Al2O3 k Fe2O3 CaO+MgO K2O+NaO2 размерприродных зерен
1 Молотый кварц 99.5 0.1 0.01 Сл. Сл. 0 -100 фр.40 а-кварц; 1 -10 мм
2 Молотый кварцевый песок 98.3 0.5 0.2 Сл. Сл. 0 - 63 фр.30 а-кварц, а-тридимит, а-кристобалит; 0.3 - 0.1 мм
3 Молотый диатомит 85.0 7.5 3.0 1.5 0.2 0 - 50 фр.25 опал, а-кристобалит, а-тридимит, а-кварц,монтмориллонит,глауконит; 0.01 - 0.1 мм
4 Молотые трепела и опоки 81.0 9.0 2.7 2.5 1.0 ф0 .38 Сл О а-тридимит-кристобалит, а-кварц (6-7%),монтмориллонит(15-20%); 2 - 20 мкм
5 Цеолитсо-держащие опоки 70.0 10.0 3.4 3.0 1.5 0 -100 40 а-кристобалит-тридимит, а-кварц,цеолит 10 - 20%, монтмориллонит(15 - 20%); 2 - 25 мкм
6 Цеолит 65.0 15.0 1.5 1.0 5.0 6 -10 100 цеолит 70 - 80%, монтмориллонит(20%), а-кварц, 10 - 100 мкм
7 Перлиты 70.0 10.0 5.0 3.0 4.0 0 - 63 30 аморфный кремнезем, стекло
В лаборатории цементных растворов филиала «Тюменбургаз» произведен подбор рецептур цементных растворов на основе стандартных пор-тландцементов и молотого пылевидного кварца для различных температурных условий. Использовались три типа стандартных портландцементов:
ПЦТ11—100 Новотроицкого завода и ПЦТ1—100 Сухоложского и Топкинско-го заводов. Соотношение портландцемента и пылевидного кварца подбиралось из расчета 1—1,5% кварца на 1% трехкальциевого силиката C3S. Для сравнения проводили аналогичные исследования свойств тампонажных растворов, приготовленных из ШПЦС— 200 и ПТЦ11—150.
Тампонажные цементы смешивались с пылевидным кварцем в сухом виде и затворялись на пресной воде с водосмесевым отношением В/С=0,5. ШПЦС затворялся при В/С=0,44. После затворения растворы подвергались 48-часовой автоклавной обработке в камере набора прочности фирмы Chandler Engineering при температуре 120°C и давлении 60 МПа (моделировались термобарические условия в скважине № Р—150 Тояхской, где ожидаемая температура на глубине установки башмака эксплуатационной колонны 120°C, в интервале установки МСЦ— 95°C). Время выхода на режимные параметры — 60 минут. Для срав-
нения аналогичные испытания выполнялись при температуре 95°C и давлении 40 МПа. После автоклавного воздействия образцы цементного камня охлаждались, определялась их прочность на изгиб на приборе «Бетон— 8УР» и прочность на сжатие на прессе фирмы Chandler Engineering.
С целью определения времени затвердевания тампонажных растворов и изучения характера изменения прочности камня в забойных условиях составы испытывались также с использованием ультразвукового анализатора статического напряжения сдвига фирмы Chandler Engineering. Прибор позволяет определять начало структуро-образования тампонажного раствора, формирования цементного камня, измеряя в непрерывном режиме его прочность на сжатие неразрушающим ультразвуковым методом. Расчетная величина осж как правило имеет меньшее значение, чем осж, определяемая с помощью пресса.
Из табл. 2 видно, что для Новотроицкого ПЦТ11—100 увеличение температуры от 95° C до 120° C приводит к снижению прочности цементного камня на сжатие и изгиб. Согласно данным, полученным на анализаторе статического напряжения сдвига (АСНС), при водосмесевом отношении В/С=0,5 и температуре 120° C структу-рообразование тампонажного раство-
ра завершается через 66 минут, т.е. практически к моменту выхода на режимные параметры. Процесс затвердевания по времени совпадает с окончанием структурообразования. Формирование камня завершается по истечении 8 часов и в дальнейшем изменение прочности незначительно.
Добавка к Новотроицкому ПЦТ11— 100 пылевидного кварца (соотношение ПЦТ11—100:кварц — 70:30) позволяет через 48 часов при температуре 120° С получить камень значительно большей прочности (табл. 2). Вначале кинетика изменения сж во времени аналогична случаю с чистым ПЦТ11—100, и через 7 часов происходит стабилизация значений. Причем абсолютные значения прочности для смеси ПЦТ11—100 и пылевидного кварца в этот момент даже несколько меньше, чем для чистого цемента. Это объясняется наличием добавок в самом портландцементе. Кварц, содержащийся в данной смеси в количестве 30%, еще не вступил в реакцию, следовательно, в начальной стадии формирования цементного камня он выполняет роль инертной добавки, снижающей его прочность. Через 10 часов твердения в результате взаимодействия цемента с кварцем вновь наблюдается увеличение прочности камня, которая к концу опыта превышает прочность камня чистого цемента в 1,5—2 раза.
13.
опыт
Табл. 2
Результаты исследований цементных растворов с добавками кварца молотого пылевидного
№ п/п Состав смеси, % НТФ, % V С В/С Плотность, кг/м3 Расте-каемость, см Прочность на сжатие (по прессу), МПа Прочность на сжатие (по АСНС)МПа Прочность на изгиб, МПа
Новотроицкий ПЦТ М—100
1 100 0 0 95 0.5 1860 24 16.5 13.5 5.5
2 70 30 0 95 0.5 1800 23 16 12.9 5.3
3 70 30 0.07 95 0.5 1810 23 16 14.8 5
4 100 0 0 120 0.5 1860 24 14.5 11.2 4.8
5 70 30 0 120 0.5 1810 23 24.5 21 7
6 70 30 0.07 120 0.5 1810 24 25 20 6.5
Сухоложский ПЦТ I—100
7 100 0 0 95 0.5 1840 24 20 15 5.9
8 70 30 0 95 0.5 1800 23 15.6 14 4.6
9 100 0 0 120 0.5 1840 23 21 18 6.1
10 70 30 0 120 0.5 1800 22 26 21 7.4
ШПЦС— 200
11 100 0 0 95 0.44 1820 21 7.2 6 2.5
12 100 0 0 120 0.44 1
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.