Высококачественные кладочные, штукатурные и тампонажные растворы с полыми стеклянными микросферами
Окончание. Начало в СиН №2
Микросферы находятся в тесном взаимодействии с продуктами гидролиза и гидратации цемента и выполняют роль структурирующего элемента, проявляющего пуццоланическую активность. Микросферы легче и мельче, поэтому отталкивать одноименные по заряду частицы цемента не могут. Продукты гидролиза цемента — известь, алюминаты и гидроалюминаты, гидроферриты — имеют положительный заряд. Поэтому они притягивают микросферы и притягиваются ими. Располагаясь в межзерновом пространстве, продукты гидролиза вместе с микросферами образуют сложные комплексы. Они уплотняют межзерновое пространство и одновременно поризуют его за счет полых микросфер.
Из работ русских и зарубежных ученых известно влияние пластифицирующих добавок на структуру и свойства цементных материалов. Введение таких добавок позволяет при одинаковой подвижности смеси снизить В/Ц, улучшить структуру и свойства материала. Для получения цементного материала с однородной структурой необходимо преодолеть поверхностные силы микросфер или их экранировать. Для этого используются аппретированные микросферы, СП С-3, а также природные факторы — горное давление и температура в скважине. Обычные микросферы в цементном тампонажном растворе и камне создают неоднородную структуру с плотным контактным слоем новообразований вокруг ПСМС. Более того, снижение средней плотности раствора ниже 1,08 г/см3 невозможно из-за его расслоения (водоотделение более 5%). Потребовалось изменить и модифицировать структуру материала, произвести выбор компонентов состава и его оптимизацию. Причем определяющим критерием эффективности модификации является средняя плотность раствора, равная 1 г/см3. После ее уменьшения ниже этого значения введение добавки (аппрета и/или СП С-3) снижает среднюю плотность смеси за счет снижения водопотребности. В таких случаях место воды занимают микросферы, плотность которых почти в 4 раза меньше, чем у воды. При этом уменьшается расстояние между микросферами и объемная доля цементной матрицы. Рост количества микросфер в данном случае способствует повышению однородности цементного камня. Модифицированные материалы с МС при одинаковой растекаемости превосходят обычные при равном расходе микросфер по всем рассмотренным параметрам (табл. 5 и 6). Они имеют более низкое водопоглощение, более высокие прочностные показатели, особенно на растяжение при изгибе. Уплотняется структура материала, что отражается на уменьшении размеров пор. Аппрет и/или суперпластификатор адсорбируется на более мелких и, соответственно, более активных микросферах и новообразованиях. Это приводит к оптимальному формированию структуры, поскольку не образуется неоднородной структуры в межмикросферном пространстве. При всех видах испытаний облегченный камень с добавками аппрета и СП С-3 показал лучшие свойства, чем обычный, за счет уплотнения структуры (табл. 4 и 5). При формировании модифицированного облегченного цементного тампонажного камня с ПСМС или АПСМС в условиях, имитирующих условия скважины, его свойства значительно улучшаются. Это происходит из-за более равномерного распределения продуктов гидратации цемента, преодоления поверхностных сил микросфер и их активности под воздействием давления. Впервые разработаны составы теплоизоляционных тампонажных материалов, которые могут одновременно являться как пассивной теплоизоляцией, так и тампонажным раствором, а затем — и камнем. Такой материал обладает сверхнизкой средней плотностью, достаточной прочностью, хорошим сцеплением со сталью колонны и низкой теплопроводностью. Теплопроводность влажного цементного камня достигает 0,17 Вт/м°С. Тампонажный раствор и камень имеют высокую однородность по плотности и прочности. При введении в тампонажный раствор с полыми микросферами СП С-3 свойства материала существенно улучшаются. Вода и новообразования равномерно распределяются между микросферами. За счет уменьшения расхода воды увеличивается объемная доля микросфер, что снижает среднюю плотность и теплопроводность материала. Изменение структуры должно оказывать влияние и на другие свойства материала. Так, тампонажный камень с ПСМС имеет более сильное сцепление со стеклом и стальной обсадной трубой, чем модифицированный. С ростом расхода микросфер сцепление увеличивается за счет уменьшения толщины цементной матрицы и более равномерного их распределения в материале благодаря действию поверхностных сил микросфер, а также образованию на стекле стенки геля кремнекислоты. За счет аппрета сцепление у материала с АПСМС ниже, чем у материала с обычными микросферами. Результаты исследований структурообразования, а также микроструктурного и рентгенофазового анализов позволяют заключить, что на поверхности микросфер есть химическое взаимодействие с новообразованиями цементной матрицы. На поверхности микросфер образуются гидросиликаты кальция, а также соединения с бором, алюминием, натрием, калием и др., которые могут быть привнесены в контактную зону только из стекла стенки микросферы. Более того, за счет действия приведенных выше причин и процессов сцепление тампонажного материала с расходом микросфер 30% и более находится на уровне или превышает таковые у чистого ПЦТ. Это повышает герметичность цементного кольца в затрубном пространстве и надежность конструкции скважины в целом. Сцепление со сталью колонны у тампонажного материала с расходом ПСМС (АПСМС) не менее 30% равно или превышает сцепление камня на чистом ПЦТ и составляет более 2,69 против 2,37 МПа при испытаниях на срез. Данные исследования проводились при атмосферном давлении. Под действием повышенного давления в скважине сцепление со сталью обсадной трубы существенно возрастет по аналогии с увеличением плотности структуры и прочности цементного камня с микросферами при таких условиях. Введение микросфер создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру, внутри которой полые микросферы окаймляют поры. Требовалось изучение их поведения через 13 лет. Коррозия стенок микросфер может привести к разрушению и даже к растворению, уменьшению толщины по всему диаметру полой микросферы, частичному (точечному) разрушению поверхности.
Было установлено, что процесс коррозии происходит на поверхности стенок микросфер. Он упрочняет контактную зону за счет образования водонерастворимых соединений и перехода ионов Са2+ в стекло стенок микросфер взамен ионов натрия. Прочность должна повышаться по мере растворения стенок микросфер, что приводит к уменьшению дефектов структуры и в конечном счете — к ликвидации контактной зоны "полая стеклянная микросфера — цементная матрица". Это произойдет потому, что цементная матрица будет граничить с порой, которая образовалась на месте полой микросферы. Следовательно, процесс коррозии стеклянных микросфер в цементном камне оказывает на структуру положительное влияние, повышая долговечность цементного камня в затрубном пространстве и надежность всей конструкции скважины в целом. Полые стеклянные микросферы необходимы только для операции по цементированию затрубного пространства до набора цементным камнем требуемой прочности. Использование ПСМС (АПСМС) позволяет цементировать любые нефтяные и газовые скважины глубиной до 3000 м, особенно в условиях аномально низких пластовых давлений. Размытие, а затем исчезновение контактной зоны "микросфера — цементная матрица" повысит надежность крепи скважины за счет снижения вероятности нефтегазопроявлений через цементное кольцо. Суммарный экономический эффект от внедрения при креплении 12 нефтяных и 32 газовых скважин тампонажного раствора с полыми стеклянными микросферами составил свыше 80 млн руб. Впервые разработаны и оптимизированы составы теплоизоляционных тампонажных материалов, которые способны одновременно выполнять роль пассивной теплозащиты. Расход микросфер в них составляет 50% от массы ПЦТ. Такой материал обладает низкой средней плотностью (до 0,78 кг/дм3), достаточной прочностью, хорошим сцеплением со сталью колонны и низкой теплопроводностью во влажном состоянии. Тампонажный раствор и камень имеют высокую однородность плотности и прочности. Свойства материала зависят от расхода СП С-3 и микросфер. Стабильные свойства ПЦТ и полых стеклянных микросфер, выпускаемых отечественной промышленностью, обеспечивают высокую однородность структуры и свойств тампонажного материала, возможность его эффективного использования для цементирования скважин глубиной до 3000 м, в том числе в горных породах с низкой несущей способностью пластов, что делает разработанные составы тампонажных растворов универсальными. Такие показатели свойств позволили предложить использование микросфер в кладочных и штукатурных растворах. Их свойства показаны в табл. 6, из которой видны очевидные преимущества растворов с полыми стеклянными микросферами. Эти результаты получены К.И. Кирилловым. Анализ технических и экономических вопросов требует достаточного объема статьи, поэтому он будет изложен в дальнейших публикациях.
Литература
1. Вяхирев В.И., Ипполитов В.В., Орешкин Д.В., Белоусов Г.А., Янкевич В.Ф. Облегченные и сверхлегкие тампонажные растворы. — М.: Недра. — 1999. — 180 с.
2. Первушин Г.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещиностойкости облегченных цементных материалов. — Ижевск: ИжГТУ, 2003. — 212 с.
3. Орешкин Д.В. Высококачественные цементные тампонажные материалы с полыми стеклянными микросферами//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2003, №7. — С. 20-31.
Д.В. ОРЕШКИН, доктор техн. наук, профессор кафедры строительных материалов Московского государственного строительного университета
Микросферы находятся в тесном взаимодействии с продуктами гидролиза и гидратации цемента и выполняют роль структурирующего элемента, проявляющего пуццоланическую активность. Микросферы легче и мельче, поэтому отталкивать одноименные по заряду частицы цемента не могут. Продукты гидролиза цемента — известь, алюминаты и гидроалюминаты, гидроферриты — имеют положительный заряд. Поэтому они притягивают микросферы и притягиваются ими. Располагаясь в межзерновом пространстве, продукты гидролиза вместе с микросферами образуют сложные комплексы. Они уплотняют межзерновое пространство и одновременно поризуют его за счет полых микросфер.
Из работ русских и зарубежных ученых известно влияние пластифицирующих добавок на структуру и свойства цементных материалов. Введение таких добавок позволяет при одинаковой подвижности смеси снизить В/Ц, улучшить структуру и свойства материала. Для получения цементного материала с однородной структурой необходимо преодолеть поверхностные силы микросфер или их экранировать. Для этого используются аппретированные микросферы, СП С-3, а также природные факторы — горное давление и температура в скважине. Обычные микросферы в цементном тампонажном растворе и камне создают неоднородную структуру с плотным контактным слоем новообразований вокруг ПСМС. Более того, снижение средней плотности раствора ниже 1,08 г/см3 невозможно из-за его расслоения (водоотделение более 5%). Потребовалось изменить и модифицировать структуру материала, произвести выбор компонентов состава и его оптимизацию. Причем определяющим критерием эффективности модификации является средняя плотность раствора, равная 1 г/см3. После ее уменьшения ниже этого значения введение добавки (аппрета и/или СП С-3) снижает среднюю плотность смеси за счет снижения водопотребности. В таких случаях место воды занимают микросферы, плотность которых почти в 4 раза меньше, чем у воды. При этом уменьшается расстояние между микросферами и объемная доля цементной матрицы. Рост количества микросфер в данном случае способствует повышению однородности цементного камня. Модифицированные материалы с МС при одинаковой растекаемости превосходят обычные при равном расходе микросфер по всем рассмотренным параметрам (табл. 5 и 6). Они имеют более низкое водопоглощение, более высокие прочностные показатели, особенно на растяжение при изгибе. Уплотняется структура материала, что отражается на уменьшении размеров пор. Аппрет и/или суперпластификатор адсорбируется на более мелких и, соответственно, более активных микросферах и новообразованиях. Это приводит к оптимальному формированию структуры, поскольку не образуется неоднородной структуры в межмикросферном пространстве. При всех видах испытаний облегченный камень с добавками аппрета и СП С-3 показал лучшие свойства, чем обычный, за счет уплотнения структуры (табл. 4 и 5). При формировании модифицированного облегченного цементного тампонажного камня с ПСМС или АПСМС в условиях, имитирующих условия скважины, его свойства значительно улучшаются. Это происходит из-за более равномерного распределения продуктов гидратации цемента, преодоления поверхностных сил микросфер и их активности под воздействием давления. Впервые разработаны составы теплоизоляционных тампонажных материалов, которые могут одновременно являться как пассивной теплоизоляцией, так и тампонажным раствором, а затем — и камнем. Такой материал обладает сверхнизкой средней плотностью, достаточной прочностью, хорошим сцеплением со сталью колонны и низкой теплопроводностью. Теплопроводность влажного цементного камня достигает 0,17 Вт/м°С. Тампонажный раствор и камень имеют высокую однородность по плотности и прочности. При введении в тампонажный раствор с полыми микросферами СП С-3 свойства материала существенно улучшаются. Вода и новообразования равномерно распределяются между микросферами. За счет уменьшения расхода воды увеличивается объемная доля микросфер, что снижает среднюю плотность и теплопроводность материала. Изменение структуры должно оказывать влияние и на другие свойства материала. Так, тампонажный камень с ПСМС имеет более сильное сцепление со стеклом и стальной обсадной трубой, чем модифицированный. С ростом расхода микросфер сцепление увеличивается за счет уменьшения толщины цементной матрицы и более равномерного их распределения в материале благодаря действию поверхностных сил микросфер, а также образованию на стекле стенки геля кремнекислоты. За счет аппрета сцепление у материала с АПСМС ниже, чем у материала с обычными микросферами. Результаты исследований структурообразования, а также микроструктурного и рентгенофазового анализов позволяют заключить, что на поверхности микросфер есть химическое взаимодействие с новообразованиями цементной матрицы. На поверхности микросфер образуются гидросиликаты кальция, а также соединения с бором, алюминием, натрием, калием и др., которые могут быть привнесены в контактную зону только из стекла стенки микросферы. Более того, за счет действия приведенных выше причин и процессов сцепление тампонажного материала с расходом микросфер 30% и более находится на уровне или превышает таковые у чистого ПЦТ. Это повышает герметичность цементного кольца в затрубном пространстве и надежность конструкции скважины в целом. Сцепление со сталью колонны у тампонажного материала с расходом ПСМС (АПСМС) не менее 30% равно или превышает сцепление камня на чистом ПЦТ и составляет более 2,69 против 2,37 МПа при испытаниях на срез. Данные исследования проводились при атмосферном давлении. Под действием повышенного давления в скважине сцепление со сталью обсадной трубы существенно возрастет по аналогии с увеличением плотности структуры и прочности цементного камня с микросферами при таких условиях. Введение микросфер создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру, внутри которой полые микросферы окаймляют поры. Требовалось изучение их поведения через 13 лет. Коррозия стенок микросфер может привести к разрушению и даже к растворению, уменьшению толщины по всему диаметру полой микросферы, частичному (точечному) разрушению поверхности.
Было установлено, что процесс коррозии происходит на поверхности стенок микросфер. Он упрочняет контактную зону за счет образования водонерастворимых соединений и перехода ионов Са2+ в стекло стенок микросфер взамен ионов натрия. Прочность должна повышаться по мере растворения стенок микросфер, что приводит к уменьшению дефектов структуры и в конечном счете — к ликвидации контактной зоны "полая стеклянная микросфера — цементная матрица". Это произойдет потому, что цементная матрица будет граничить с порой, которая образовалась на месте полой микросферы. Следовательно, процесс коррозии стеклянных микросфер в цементном камне оказывает на структуру положительное влияние, повышая долговечность цементного камня в затрубном пространстве и надежность всей конструкции скважины в целом. Полые стеклянные микросферы необходимы только для операции по цементированию затрубного пространства до набора цементным камнем требуемой прочности. Использование ПСМС (АПСМС) позволяет цементировать любые нефтяные и газовые скважины глубиной до 3000 м, особенно в условиях аномально низких пластовых давлений. Размытие, а затем исчезновение контактной зоны "микросфера — цементная матрица" повысит надежность крепи скважины за счет снижения вероятности нефтегазопроявлений через цементное кольцо. Суммарный экономический эффект от внедрения при креплении 12 нефтяных и 32 газовых скважин тампонажного раствора с полыми стеклянными микросферами составил свыше 80 млн руб. Впервые разработаны и оптимизированы составы теплоизоляционных тампонажных материалов, которые способны одновременно выполнять роль пассивной теплозащиты. Расход микросфер в них составляет 50% от массы ПЦТ. Такой материал обладает низкой средней плотностью (до 0,78 кг/дм3), достаточной прочностью, хорошим сцеплением со сталью колонны и низкой теплопроводностью во влажном состоянии. Тампонажный раствор и камень имеют высокую однородность плотности и прочности. Свойства материала зависят от расхода СП С-3 и микросфер. Стабильные свойства ПЦТ и полых стеклянных микросфер, выпускаемых отечественной промышленностью, обеспечивают высокую однородность структуры и свойств тампонажного материала, возможность его эффективного использования для цементирования скважин глубиной до 3000 м, в том числе в горных породах с низкой несущей способностью пластов, что делает разработанные составы тампонажных растворов универсальными. Такие показатели свойств позволили предложить использование микросфер в кладочных и штукатурных растворах. Их свойства показаны в табл. 6, из которой видны очевидные преимущества растворов с полыми стеклянными микросферами. Эти результаты получены К.И. Кирилловым. Анализ технических и экономических вопросов требует достаточного объема статьи, поэтому он будет изложен в дальнейших публикациях.
Литература
1. Вяхирев В.И., Ипполитов В.В., Орешкин Д.В., Белоусов Г.А., Янкевич В.Ф. Облегченные и сверхлегкие тампонажные растворы. — М.: Недра. — 1999. — 180 с.
2. Первушин Г.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещиностойкости облегченных цементных материалов. — Ижевск: ИжГТУ, 2003. — 212 с.
3. Орешкин Д.В. Высококачественные цементные тампонажные материалы с полыми стеклянными микросферами//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2003, №7. — С. 20-31.
Д.В. ОРЕШКИН, доктор техн. наук, профессор кафедры строительных материалов Московского государственного строительного университета
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 03 за 2005 год в рубрике материалы и технологии
