Подпишитесь на наши новости.

Email:


Подписаться

Катаев Сергей Александрович, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Научный руководитель – докт. техн. наук, проф. Ю.Р. Кривобородов; «Использование полимерных материалов для повышения качества тампонажного портландцемента»

Аннотация

В работе рассматривается влияние полимерных добавок в виде диспер­сий и редиспергируемых полимерных порошков на конечные характеристики тампонажного портландцемента. Установлены перспективные тенденции при их использовании.

Ключевые слова: тампонажный портландцемент; полимерные дисперсии; редиспергируемые полимерные порошки.

В строительстве ряда сооружений, главным образом подземных, при ин­женерно-геологических работах возникает необходимость заполнения пустот, недоступных для непосредственной заделки, закладки, засыпки. Их можно за­полнить затвердевающими жидкостями с помощью особого технологического процесса — тампонирования.

В соответствии с широкой областью применения и различным назначением имеется много видов и составов тампонажных материалов. Наиболее широко их применяют в строительстве нефтяных, газовых и глубоких геологоразведочных скважин, а именно в технологическом процессе их цементирования. При этом ис­пользуются наиболее сложные по составу и дорогие тампонажные материалы [1].

В результате бурения скважины на нефтегазоносных площадях должен быть создан долговечный, прочный изолированный канал, связывающий про­дуктивный горизонт с поверхностью. Решающее значение при проводке скважи­ны имеют буровые промывочные и тампонажные растворы. От их способности выполнять свои функции в различных геолого-технических условиях зависит не только эффективность буровых работ, но и срок службы скважины.

Тяжелые осложнения в процессе бурения, а в некоторых случаях и лик­видация скважин, нарушение режима эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, связанные со значительным финансовым ущербом, могут быть обусловлены низким качеством тампонажных растворов, отсутствием надеж­ных методов и средств управления ими. Все это и обусловливает целесообраз­ность затрат на повышение качества этих систем. Название «тампонажный рас­твор» не отражает физико-химической сущности этих систем, и использование его в дальнейшем связано лишь с традициями в нефтяной промышленности. По составу эти системы должны быть отнесены к сложным полиминеральным дисперсиям [2], модифицированым различными веществами. Стоимость глубо­ких скважин высока, а ущерб от некачественного их крепления может быть еще большим; процесс цементирования скважин — операция необратимая; ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.

Технология цементирования скважин принята на вооружение много лет назад. Ее видимую простоту усложнять никто не хочет. Цементный раствор транс­портируется в заколонное пространство, замещая находившийся там буровой раствор, и затвердевает в камень.

Назначение и функции, выполняемые цементным камнем, достаточно многообразны:

  1. Разобщение пластов, их изоляция, т. е. образование в стволе безусадочного тампона, внутреннюю часть которого составляет колонна обсадных труб. Важным условием является равномерная толщина цементного камня с лю­бой стороны света. Размеры кольцевого зазора (т. е. толщина цементного кольца) не определяют качества разобщения пластов, однако оказывают влияние на формирование цементного камня или предопределяют его от­сутствие.
  2. Удержание обсадной колонны от всевозможных перемещений: проседа­ния за счет собственного веса, температурных деформаций, деформаций за счет возникновения перепадов давления в колонне, ударных нагрузок, вращений и т. д.
  3. Защита обсадной колонны от действия коррозионной среды.
  4. Повышение работоспособности обсадной колонны с увеличением сопро­тивляемости внешнему и внутреннему давлениям. Естественно, цементное кольцо должно быть сплошным и иметь при этом определенную физико- механическую характеристику.
  5. Сплошное цементное кольцо, приобретая в процессе формирования камня свойства адгезии, сцепления, создает предпосылки к еще большему повы­шению сопротивляемости высоким внешним и внутренним давлениям [3].

1

Для придания повышеных адгезионных и прочностных характеристик тампонажному раствору было предложено использование полимерных матери­алов. Полимерные дисперсии и редиспергируемые полимерные порошки (РПП) создают полимерную пленку вокруг частиц цемента (рис. 1) и придают матери­алам на минеральной основе ряд преимуществ по сравнению с немодифициро­ваными: увеличенная адгезия материалов к поверхностям различной природы (бетон, металл, стекло, керамика и т. д.), увеличенная эластика затвердевшего раствора, высокая ударная прочность, снижение хрупкости материалов, стой­кость к агрессивным средам. Некоторые из видов полимеров в зависимости от синтезированных радикалов в их полимерной цепочке проявляют специальные свойства: пеногасящие, пластифицирующие, гидрофобные.

В частности, компания «Вакер» производит полимерные дисперсии и РПП «Vinnapas» широкого спектра применения в сухих строительных смесях и других отраслях промышленности.

Цель исследования — изучение влияния модифицирующих полимерных добавок на характеристики тампонажного материала.

Для выполнения работы использовался портландцемент тампонажный производства ООО «Вольскцемент» класса G-1 по API Spec 10 A23 (ГОСТ 1581–96). Смешение цемента с модифицирующими полимерами осуществлялось либо в су­хом виде (при использовании порошков), либо непосредственно при затворении с водой (при использовании дисперсии).

РПП вводились в состав цемента в количестве 1–3 масс. %. Дисперсии вво­дились в количестве 5–10 масс. %. Большинство полимерных добавок имеют по­лимерную основу Vac-E (винилацетат-этилен).

1

Определение подвижности раствора проводилось по расплыву из конуса АзНИИ по ГОСТ 1581–91.

Определение прочности при изгибе и на сжатие, седиментации, плотности осуществлялось по ГОСТ 26798.1–96. Для исследования адгезионных характери­стик проверялась прочность сцепления образца материала размером 5 × 5 × 0,5 см с металлическим основанием при водном хранении и воздушно-влажном.

В ходе работы проводились исследования как при одинаковом В/Ц соот­ношении, так и при пониженном с использованием пластифицирующего эффек­та полимеров.

При использовании полимеров с нейтральной реологией не было обнару­жено ни негативного влияния на растекающую способность и седиментацию, ни изменений плотности растворов.

При испытаниях с полимерами, обладающими пластифицирующим эффек­том, стало возможным снизить количество воды затворения до В/Ц = 0,22 (вме­сто В/Ц = 0,44). При этом наблюдалось увеличение прочности цеметного камня на 60–80 %. Кроме того, стало возможным увеличить растекаемость и подвиж­ность цементного теста, не изменяя водоцементное отношение. При этом расте­кание увеличивается на 10–20 % при дозировке полимера 1–2 % по массе (рис. 2).

Положительный эффект был замечен при проверке прочности на сжатие и показателей адгезии к металлическому основанию в обеих средах твердения.

Установлено, что материалы «Vinnapas» создают «полимерные мостики» в структуре цементного камня, обеспечивая увеличение прочности при изгибе, а также сцепление с основанием. Эффект проявляется при дозировках полимера от 1 % по массе.

1

 

Наилучшие показатели проявляет модифицирующий полимер «Vinnapas 5014F» в количестве 2 %. Снизилось количество затворяемой воды до 220 г/кг вме­сто 440 г/кг. Увеличились прочностные показатели на 30–40 %. Появилась адге­зия к металическому основанию в 0,15 МПа (рис. 3, 4, 5).

1

Коагуляция полимерных гло­бул осуществима только при темпе­ратурах не ниже минимальной тем­пературы пленкообразования (МТП), а окончательное образование проч­ной полимерной пленки происходит выше температуры стеклования Tg полимера. В конечном счете с уда­лением воды при гидратации цемен­та частицы уплотненного полимера на продуктах гидратации вяжущего связываются в непрерывные пленки или мембраны. При этом образуется монолитная решетка, в которой по­лимерная фаза проникает через фазу указанных продуктов гидратации [5] (рис. 6). При затворении сухой смеси водой образуется полимерная дис­персия.

1

При проведении испытаний на адгезию было подтверждено появление ад­гезии у полимер-модифицированных систем. Адгезия возникает при образовании контакта полимер — металл. Обычный цемент не способен создать крепления с металлическим основанием (в частности, с обсадной колонной). Количество по­лимерных мостиков между материалом и основанием увеличивается при повы­шении процентного содержания полимера в составе. Начальная концентрация полимера — 1 % по массе. Различия между модифицироваными и немодифици­роваными системами видны на рис. 7.

Благодаря развитию структуры цементного геля частицы полимера посте­пенно сосредоточиваются в капиллярных порах. Поскольку гидратация цемента продолжается и количество капиллярной воды уменьшается, полимерные части­цы коагулируют с образованием постоянного уплотненного слоя полимерных ча­стиц на поверхности смесей цементного геля с непрореагировавшими частицами цемента. Пленки покрывают стенки капиллярных пор, однако не закрывая по­следние. Таким образом, гидрофобные полимерные пленки снижают водопо­глощение, без отрицательного влияния на паропроницаемость (рис. 8).

Учитывая вышеприведенные преимущества разрабатываемого ма­териала, можно сделать следующие вы­воды:

  • применение модифицирующих полимерных добавок с основой винила­цетат/этилен позволяет улучшать свой­ства таких тампонажных растворов, как растекаемость и В/Ц отношение;
  • увеличиваются прочностные показатели при изгибе и на сжатие
  • создается адгезия к обсадной колонне за счет образования полимерных мостиков;
  • придание дополнительных свойств, таких как гидрофобность и эластич­ность;
  • положительный эффект наблюдается уже при введении 1 % полимера.

1

 

Литература

  1. Булатов А.И., Данюшевский В.С. Тампонажные материалы. М.: Недра, 1987. — 280 с.
  2. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы. М.: Недра, 1999. — 424 с.
  3. Булатов А.И. Формирование и работа цементного камня в скважине. М.: Недра, 1990. — 417 с.
  4. http://www.nestor.minsk.by/sn/2003/04/sn30416.html
  5. Рамачандран В.С. Добавки в бетон: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1988. — 570 с.

 


Информационные партнеры