автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Облегченные шлакощелочные тампонажи раствора

" МР 2000

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ' БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

МАМАТКУЛОВ Ахтам Махкамович

ПОЛЕГШЕНІ ШЛАКОЛУЖНІ ТАМПОНАЖНІ РОЗЧИНИ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 622.245

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі будівельних матеріалів та в Державному НДІ в'яжучих речовин та матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури Міносвіти України Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кривенко Павло Васильович,

Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних матеріалів

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Сербін Володимир Петрович,

кафедра хімічної технології в'яжучих, полімерних і композиційних матеріалів Національного технічного університету України “КІП”, професор

- кандидат технічних наук,

Тимкович Василь Юрійович, Т.О.В. "Архісан", м. Київ, директор

Провідна установа - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Міносвіти України, м. Макіївка,

Захист відбудеться " 2.5. 2000р. о 4і_ год на засіданні спеціалі-

зованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37. Повітрофлотський проспект, ЗІ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м.Київ-37. Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий " 2.2. " №ОТОГО 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н.

Бродко О. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. З ростом глибини буріння нафтових і газових свердловин виникає необхідність збільшення висоти підйому тампонажних розчинів за обсадними трубами, а це у свою чергу обумовлює наявність цілого ряду спеціальних властивостей у тампонажних матеріалів (більш низька середня густина, тривале зберігання технологічних властивостей при прокачуванні на великі глибини, підвищені фізико-механічні і спеціальні характеристики). Тому створення ефективних полегшених і легких тампонажних розчинів є актуальною задачею, що диктується потребами нафто- та газодобувної промисловості.

Метою роботи є розробка полегшених шлаколужних тампонажних розчинів з регульованими технологічними та експлуатаційними властивостями, що працюють в умовах помірних і підвищених температур (Т=75-120 °С) і тисків (Р=30-60 МПа).

Для досягнення мети роботи було поставлено такі задачі:

- дослідити процеси структуроутворення шлаколужних розчинних сумішей, що забезпечують необхідні технологічні характеристики тампонажних розчинів у системі "шлак + бентоніт + лужний компонент" при тисках Р=30-60 МПа і температурах Т=75-120°С в залежності від виду шлаку, кількості бентоніту, природи і кількості лужного компоненту і встановити взаємозв'язок і вплив на технологічні і фізико-механічні характеристики;

- встановити взаємозв'язок між складом, процесом структуроутворення та будівельно-технічними властивостями полегшених шлаколужних тампонажних розчинів;

- розробити склади і методи керування властивостями полегшених і легких тампонажних розчинів в залежності від умов їх експлуатаці;

- дослідити технологічні характеристики розроблених складів в залежності від температури і тиску експлуатації тампонажних розчинів;

- дослідити вплив складу й умов твердіння на експлуатаційні властивості тампонажних розчинів;

- одержати підтвердження результатів дослідження полегшених шлаколужних тампонажних розчинів у виробничих умовах;

- обгрунтувати техніко-економічну ефективність виробництва і застосування полегшених шлаколужних тампонажних розчинів.

Наукова новизна отриманих результатів;

- теоретично обгрунтовано і практично підтверджено можливість одержання полегшених шлаколужних тампонажних розчинів шляхом модифікації в'яжучих у системі “шлак - лужний компонент” при введенні бентонітової глини, що дозволяє, за рахунок особливостей своєї структури, не тільки підвищити здатність утримувати воду розчинних сумішей, а й спрямовано керувати процесами структуроутворення при їх твердінні;

- встановлено основні закономірності впливу виду алюмосилікатного компоненту, виду й кількості лужного компоненту на процеси структуроутворення гід-ратованої системи "шлак + лужний компонент + бентонітова глина", при дії температур Т=75-120 °С і тисків Р=30-60 МПа;

- визначено оптимальні області композиційної побудови полегшених шлаколужних тампонажних розчинів в залежності від умов їх експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів:

- Розроблено склади і визначено ефективні області застосування полегшених шлаколужних тампонажних розчинів для тампонування гарячих свердловин в інтервалі температур Т-7 5-120 °С і тисків 7=30-60 МПа.

- Розроблено основи технології застосування таких матеріалів для тампонування свердловин і визначено економічна доцільність їх використання.

Реалізація роботи у промисловості.

Результати роботи реалізовані при цементуванні 146 мм-ї експлуатаційної колони свердловини № 203 Скороходівського родовища АТ “Укрнафта”. Цементування свердловини здійснювали в інтервалі 3779-2170 м при температурі в забої 85°С і шаровому тиску в забої 45,4МПа.

Економічний ефект від впровадження розробленого полегшеного шлаколу-жного тампонажного розчину склав за цінами 1994 р. 14506220 крб., що становить 51,5% від вартості традіційного полегшеного тампонажного цементу (ОЦГ).

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, розробці складів та основ технології отримання полегшених шлаколужних тампонажних розчинів, впровадженні результатів роботи у виробництво.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на: Міжнародній конференції “Лужні цементи і бетони” ( Київ, 1994 р.),

з

Міжнародній конференції “Con Chem” ( Брюсель, Бельгія, 1995 p.), Науково-практичній конференції “ Стан проблеми і перспективи розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону України”(Львів, 1995 p.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, у тому числі: 3 - в наукових фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація містить 125 сторінок машинописного тексту і складається з вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел з 131 найменування, 3 додатків і містить 16 таблиць та 17 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі науково обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета досліджень, наведено найбільш важливі положення, які лягли в основу даних наукових досліджень і практичних розробок.

У першому розділі приведено огляд відомих розробок, описаних у роботах М.С. Винарского, І.А. Серенко, А.І. Булатова, С.А. Волостнова, B.C. Данюшевс-кого та ін. досліджень по створенню технологічних рішень і регулюванню властивостей полегшених і легких тампонажних розчинів із застосуванням цементів і добавок неорганічного й органічного походження, що випускаються традиційно.

Показано, що для полегшення тампонажних розчинів використовують добавки глин, діатоміту, трепелу, перліту, відходів рослинного походження, поліетилену. Введення таких добавок, внаслідок їх більш низької середньої густини, а також високих показників водопотреби (глина, перліт, трепел та ін.) сприяють значному полегшенню розчинних сумішей, проте їх присутність негативно позначається на ряді спеціальних властивостей розчинних сумішей (розшаруванні сумішей, міцності, хімічній стійкості та ін.) та на їх ефективності. При цьому зазначені добавки в складі тампонажних цементів виступають як інертні сполуки, що ке беруть участі в процесах структуроутворення систем, що твердіють.

Враховуючи комплекс високих фізико-механічних властивостей і фізико-хімічних особливостей процесів гідратації та твердіння лужних в'яжучих систем, шо обумовлені високою активністю сполук лужних металів, присутніх у їх складі, значний інтерес для одержання тампонажних розчинів зниженої щільності являють шлаколужні системи.

Роботами наукової школи проф. В.Д. Глуховского розроблено цілий ряд спеціальних видів шлаколужних цементів за рахунок направленого структуроутворення штучного каменю.

Аналіз інформації в області тампонажних розчинів дозволив висунути наукову гіпотезу про можливості створення шлаколужних полегшених тампонажних

розчинів із високими технологічними й експлуатаційними властивостями, що працюють в умовах підвищених і високих температур і тисків за рахунок модифікації лужних в’яжучих систем К20-К0-К20з-8І02-Н20 шляхом введення бентонітової глини, що виступає як структуроутворюючий компонент системи і яка дозволяє, в силу її структури, підвищити водопотребу тампонажних розчинів.

В другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів і методи випробувань.

Як алюмосилікатний компонент для проведення досліджень використовували шлаки, що відрізняються вмістом А120з: доменний шлак Запорізького металургійного комбінату (А12Оз - 5,38%, Мо=1,12) та електротермофосфорний шлак Чімкентського В/О “Фосфор” (А12Оз - 2,72%, Мо=І,11). Рухливість сумішей складала 225-235 мм по конусу АзНДІ при відношенні розчину до твердої фази Р/Т=1,35.

Як лужний компонент використовували розчини соди технічної кальцинованої, метасилікату натрію, плаву соди кальцинованої - побічного продукту виробництва і порошок силікат-брили (в пиг= 280-300 м2/кг).

Як модифікуючий компонент використовували бентонітовий глинопоро-шок, що відповідає вимогам ГОСТ 3226-93.

Фізико-механічні та реологічні властивості тампонажних розчинів визначали відповідно до вимог нормативних документів і рекомендацій до тампонажних матеріалів.

Фізико-хімічні дослідження включали рентгенофазовий та диференцій-но-термічний аналізи.

У третьому розділі наведено дослідження процесів структуроутворення системи "шлак + бентоніт + лужний компонент" в умовах автоклавної обробки при температурі Т=75 °С і тиску Р=30 МПа.

Проведено аналіз впливу виду алюмосилікатного компоненту, кількості бентонітової глини, виду і кількості лужного компонету, умов твердіння на процес формування структури штучного каменю, синтез структуроутворюючих сполук та на властивості затверділого матеріалу.

Аналіз отриманих характеристик матеріалу дозволяє констатувати, що при температурі Т=75 °С і тиску Р=30 МПа використання доменного шлаку з вмістом А120з - 5,38% сприяє більш інтенсивному наростанню структурної в'язкості в статичних і динамічних умовах на ранніх і пізніх етапах твердіння в порівнянні з композиціями на електротермофосфорному шлаку (Аі203 - 2,72%) (рис. 1).

Такий розвиток процесів твердіння сприяє синтезу більш міцних на стиск структур при використанні доменного шлаку в порівнянні із системами на елект-ротермофосфорному шлаку.

Відзначено, що просліджуєгься пряма залежність швидкості структуроутворення та величини міцності сумішей від відношення оксидів ЫагО/АЬОз системи. Так, у міру наближення зазначеного відношення до 1 досліджувані характеристики міцності підвищуються.

Час, хв.

Рис. 1. Вплив виду лужного компоненту на в'язкість тампонажних розчинів, (при Т=75 °С і Р=30,0 МПа) на основі:

1,2, 3 -доменного шлаку;

4,5,6- електротермофосфорного шлаку;

1,4 - ИагБіОз ; 2,5 -№2С03; 3, 6 -ПСК при р-1150 кг/м3. Вивчення направленості і швидкості процесів формування структури і властивостей штучного каменю в залежності від виду і кількості лужного компоненту, на прикладі використання систем, що містять 7,5% бентонітової глини показало (рис. 2), що підвищення вмісту N8:0 у системі сприяє скороченню індукційного періоду зміни структурної в’язкості розчинних сумішей. При цьому швидкість зміни в'язкості залежить від виду лужного компоненту і зменшується в ряду: №2С03 > ПСК > ІЧагБіОз > Ма20-2,8 8і02. А міцність штучного каменю зростає в ряду ЫагБЮз > ЫагСОз > ПСК.

Визначено, що найбільш сприятливі умови процесів структуроутворення незалежно від виду лужного компоненту виявляються для систем з вмістом №20 у межах 7,4511,18%. Збільшення, або зменшення цих значень сприяє погіршенню технологічних та

зниженню фізико-хімічних характеристик тампонажного розчину,

-> І

Час, хв.

Рис. 2. Вплив густини лужного компоненту на в'язкість тампонажних розчинів (при Т=75 °С і Р=30,0 МПа) на основі:

1,2, 3 -доменного шлаку; 4, 5, 6 - електротермофосфорного шлаку; та розчину Ма2ЗіОз 1,4- р=1050 кг/м3; 2, 5 - р=1100 кг/м3; 3, б - р=1150 кг/м3.

Дослідження процесів формування фазового складу новоутворень, з оптимальним за технологічними і фізико-механічними властивостями компонентним складом (відношення КагО/АІгОз = 0,81 - 1,07 і вмістом ИагО = 7,46 -

11,18) (рис. 3), показує, що у випадку використання ИагБіОз і ПСК при Т=75-120 °С і Р=30-б0 МПа синтезуються сполуки складу СаСОз ((1=0,386;0,303;

0,249; 0,228;0,191;0,187 нм), низькоосновних гідросилікатів кальцію складу гі-ролшу 2СаО • ЗБіОг • 2Н20 (сі = 0,426;0,334; 0,285;0,223;0,181 нм) що підтверджується наявністю ендоефектів на кривій ДТА при 130°Си750°С, а також цеолі-топодібні сполуки складу нефелінгідрату (<1=0,370;0,334;0,274; 0,223;0,212;

0,249 нм) та жисмондіну (сі=0,334;0,274; 0,246; 0,212 нм).

Така спрямованість процесів гідратації сприяє синтезу штучного каменю з міцністю на стиск ІІст=5,8МПа та згин Язг= 1,9 МПа при використанні МагЗЮз і Яст=4,0 МПа і Язг= 1,7 МПа при використанні ПСК.

о

л

•Л ч* <П Г* 2?

«4 -у* ;аг *0 Г*“

е) «\| л| *|

О о (О о Рі

*пг»^ ФЛО** £ г<\? Т У

ООО о

«О «О л о

— ЇГ2 ^ -Г4

ООО о °

ООО о у О | II

ГО Г~ —

•0*а <п

г?

р.

«

Рис. З Рентгенограми (а) и дериватограми (б) розчинних сумішей з 7,5 мас % бентоніту на основі 1, 2 електротермофосфорного шлаку, 3, 4 -доменного шлаку та розчинів: 1,3- Ка2С03; 2,4 - ПСК.

1000

Результати аналізу розчинних сумішей при використанні Ыа2С03 і силікат-брили показують на наявність в складі фаз новоутворень переважно сполук складу СЭНСВ) (ё = 0,307; 0,292;0,279; 0,244; 0,209 нм ) та сполук, ідентифікованих із складом морденіту. При цьому показники міцності таких систем характеризуються значеннями на стиск Кст=(6,7-7,0 МПа) та на згин Язг= (1,46-2,4 МПа).

Таким чином, визначено, що процеси структуроутворення і синтез міцності знаходяться в залежності від вмісту А120з в системі, виду і кількості лужного компоненту. Визначено механізм керування швидкістю твердіння і фізико-механічними властивостями штучного каменю за рахунок зміни відношення оксидів Ыа20/А120з у системі.

При цьому показано, що найбільш сприятливі умови на процеси структуроутворення і синтез міцності створюються при забезпеченні в системі відношення оксидів Ыа20/А120з=0,93 - 1,33.

Четвертий розділ присвячено розробці засобів керування будівельно-технічними властивостями полегшених шлаколужних тампонажних розчинів.

В технології цементування свердловин, які працюють в умовах помірних і підвищених температур (Т=75-120°С) особлива увага надається регламентуванню термінів тужавлення, загустіванню і седиментаційній стійкості суміші, а також міцності цементного каменю. Тому визначення методів керування цими характеристиками є ключовими задачами. Критеріями оцінки ефективності досліджень були: середня густина розчинних сумішей (<1700 кг/м3), розтікання (>21см), во-довідділення (^ 2,5%) і міцність при вигині (> 1,2 МПа), що регламентуються для традиційних тампонажних розчинів.

В зв'язку з цим проведено дослідження впливу температури (Т=75-120 °С) і тиску (Р=30-60 МПа) на основні властивості розчинних сумішей, композиційних складів (1,33 >Ыа20/А120з> 0,93).

Аналіз результатів досліджень показує, що тампонажні розчини на основі елекіротермофосфорного шлаку і соди, або плаву соди кальцинованої в інтервалі температур 75-120 °С і тисків 30-60 МПа, характеризуються термінами тужавлення 1 год.40 хв. - 7 год. 30 хв. початок і 2 год. 35 хв. - 8 год. 40 хв. кінець, що задовольняє вимогам, які висуваються до таких розчинів. Як випливає з результатів, основний вплив на терміни тужавлення зазначених складів чинять як умови обробки розчину (температура твердіння), так і густина розчину лужного компоненту.

Дослідження шлаколужних тампонажних розчинів на основі доменного гранульованого шлаку показують, що в області оптимальних складів, які включають 5-10 мас % бентонітової глини і розчин лужних сполук густиною 11001150 кг/м3, терміни тужавлення також залежать від виду лужного компоненту, густини його розчину і температури твердіння тампонажного розчину.

При порівнянні зі складами на основі електротермофосфорного шлаку, ви-щенаведені композиції характеризуються більш короткими термінами початку тужавленні: 20 хв. - 4 год. та кінця тужавлення: 30 хв. - 4 год. 30 хв. Також слід відзначити, що зазначені склади характеризуються скороченим індукційним періодом при тужавленні системи, який змінюється в межах 10-20 хв.

Процес тужавлення тампонажного розчину, який закачується в свердловину, проявляється в збільшенні його динамічної напруги зсуву і пластичної міцності, що призводить до збільшення гідравлічних опорів при прямуванні цементного розчину в трубах і в затрубном просторі, підвищенні тиску в насосах цементувальних агрегатів у процесі цементування. Це, в ряді випадків, може викликати передчасне припинення цементування, коли не весь цементний розчин виявиться видавленим у затрубний простір.

Тому дослідження часу загустівання є дуже важливим і дозволить значною мірою полегшити оптимізацію складу в залежності від умов застосування.

Аналіз досліджень часу загустівання в динамічних умовах композицій на основі доменного і електротермофосфорного шлаків, які містять у своєму складі також 5-10 % бентонітової глини і замішаних розчинами метасилікату натрію, кальцинованої соди і плава соди кальцинованої, показує, що, якщо перемішування суспензій здійснюється при температурі, яка постійно збільшується (1 град/хв), то замість наростання їх загустівання, що спостерігається в статичних умовах, відбувається стабілізація і навіть деяке розрідження досліджуваної системи. Це проявляється на різниці в часі тужавлення суспензій, який визначається в статичних умовах гідратації, а також в часі їх загустівання, що досліджується в динамічних умовах. Так, час загустівання, тобто підвищення в'язкості до 30-40 Па, як характеристика границі прокачуваності тампонажних розчинів, перевищує час тужавлення розчинів, що досліджуються на 15-45 хв. Це пояснюється тим, що в статичних умовах після замішування дисперсної суміші лужним компонентом дисперсна фаза якийсь час утримує у своїй просторовій структурі всю рідину замішування, а перемішування викликає водовиділення - розрідження, що узгоджується з відомими даними досліджень процесів структуроутворення цементних та шлаколужних дисперсій.

Характерно, що підвищення температури і тиску при гідратації розроблює-мих систем істотно не впливає на міцність цементного каменю на згин. Цей показник в інтервалі складів і умов твердіння, що. досліджувались, коливається в межах 1.66 - 3.80 МПа, а відносний приріст міцності, при зміні температури від 75 °С до 120 °С і тиску від ЗО МПа до 60 МПа, складає 5.3 -12.6 %.

Результати досліджень дозволили визначити ефективну область використання розроблених полегшених шлаколужних розчинів. Показана можливість керування реологічними та міцностними характеристиками систем, що досліджувались в залежності від умов їх застосування, за рахунок змінення виду та кількості лужного компоненту, вмісту бентонітової глини, а також виду алюмосилікатного компоненту.

У п'ятому розділі подано результати оптимізації складів тампонажних розчинів в залежності від виду алюмосилікатного і лужного компонентів і досліджено експлуатаційні характеристики складів, що рекомендуються. В результаті досліджень розроблено оптимальні склади (табл.) і побудовано номограми призначення складів полегшених тампонажних розчинів, а також вивчено технологічні і будівельно-технічні характеристики розроблених полегшених шлаколужних тампонажних розчинів, що працюють в інтервалі температур 75-120 °С і тисків 30-60 МПа.

Результати досліджень дозволяють регламентувати склади тампонажних розчинів в залежності від виду шлаку і лужного компоненту, кількості бентонітової глини та умов обробки. При цьому визначено, що склади розчинів, що замішані метасилікатом натрію можливо рекомендувати для умов роботи, при яких температура і тиск не перевищують 100 °С і 50 МПа, відповідно.

Показано, що час загустівання систем, що розглядаються, також залежить від складу розчинної складової та умов роботи системи. Визначено, що в залежності від густини лужного компоненту, склади, які отримали з використанням розчинів соди і плаву соди кальцинованої, можуть бути рекомендовані для роботи в інтервалі температур Т = 75-120 °С, а ті, що включають метасилікат натрію -при температурах Т = 75-100 °С.

Дослідження експлуатаційних характеристик показує, що розроблені склади полегшених тампонажних розчинів характеризуються високою непроникністю, що визначається показниками для водопроникності (О-З)ІО'5 Д і (0-0. 6)10'5 Д

- для газопроникності.

. Таблиця

Склади і властивості полегшених шлаколужних тампонажних розчинів з добавкою 7,5% бентонітової глини при Р/Т = 1,35

Г Лужний | компонент Густина розчину, кг/м3 Розстічність розчину, мм Коэфф. водовідділення, % Умови експери- менту Терміни тужавлення, год-хв Загустіння, год-хв Міцність, МПа після 2-х діб, на Проникність, Д 10'5

лужного I тампонажного

и Н‘ Р, МПа | початок і 1 кінець 1 I ЗГИН СТИСК водо- газо-

ЕЛЕКТРОТЕРМОФОСФОРНИЙ ШЛАК

о1 75 зо 3-55 5-0 0 5-40 3,46 7,0 2,0 0,2

% є? 1425 235 1,5 100 50 2-35 3-30 3-55 3,60 9,0 0,8 0,01

£ 120 60 1-10 2-00 2-20 3,68 8,5 1,0 0,012

<5 75 30 7-10 8-30 8-40 2,40 5,6 2,1 0,5

о й* 110С 1430 245 1,0 100 50 4-30 5-30 5-50 2,45 8,4 1,2 0,15

120 60 2-25 3-15 3-30 2,55 8,0 1,4 0,2

75 ЗО 7-20 8-30 9-30 3,10 6,5 3,0 0,6

й 1425 245 2,0 100 50 5-00 6-00 7-00 3,12 6,4 2,2 0,01

120 60 3-10 4-10 і 5-20 3,20 6,2 2,4 0,015

ДОМЕННИЙ ШЛАК

75 ЗО 4-00 4-25 4-40 1,68 4,4 2,0 0,38

105С 1400 230 0,5 100 50 2-50 3-15 3-40 1,63 7,8 1,4 0,18

5 120 60 1-50 2-10 2-20 1,15 5,13 1,8 0,2

Показано принципову можливість одержання тампонажних розчинів із середньою густиною 1320-1370 кг/м3 за рахунок підвищення вмісту води в системі до 190 %. Такі розчини характеризуються високими значеннями міцності: при згині 1.0-1.5МПа і стиску 2.0-4.0МШ, що перевищує традиційні системи з аналогічною середньою густиною.

Показано, що розроблені склади характеризуються високою водостійкістю (К<;=1,07 - 2,18) і корозійною стійкістю (Кс=0,97 - 2,16).

У шостому розділі представлено результати дослідно-промислового впровадження розроблених полегшених тампонажних розчинів та технологію виробництва полегшеного шлаколужного тампонажного розчину (р = 1440кг/м’), який було використано при цементуванні 146 мм-ї експлуатаційної колони свердловини №203‘Ско~

роходівського родовища АТ “Укрнафта” у системі Полтавського тампонажного управління. При цьому фактичний економічний ефект від впровадження полегшеного шлаколужного тампонажного розчину склав за цінами 1994 р. 14506220 крб., що становить 51,5% від вартості традиційного полегшеного тампонажного цементу (ОЦГ).

ВИСНОВКИ

1. В результаті узагальнення літературних даних в області проектування складів розчинів для тампонування нафтових і газових свердловин, у тому числі із застосуванням шлаколужних в'яжучих систем, встановлена можливість одержання ефективних полегшених тампонажних шлаколужних розчинів у системі: "шлак + бентонітова глина + лужний компонент", що при високих показниках вмісту води (Р/Т = 1,1 - 1,4) характеризуються низькими значеннями водовідділення (0-2 %) і високими фізико-механічними характеристиками, які перевищують у 1,5-2 рази характеристики міцності відомих розчинних сумішей.

2. Дослідженнями процесів структуроутворення розчинних сумішей в

системі “шлак + бентонітова глина + лужний компонент” шляхом визначення реологічних характеристик при твердінні в статичних і динамічних умовах при температурі Т=75-120°С і тиску Р=30-60 МПа, а також шляхом визначення фазового складу новоутворень і фізико-механічних характеристик штучного каменю доведено, що керування властивостями полегшених шлаколужних тампонажних розчинів може бути досягнуто за рахунок направленого змінення співвідношень компонентного складу, а також параметрів температурного режиму . Так, зміна кількості бентоніту в системі на доменному гранульованому шлаку в межах 5-10 мас.% здатна підвищити міцностні та технологічні властивості (подовження терміну загустівання в динамічних умовах, зменшення водовідділення та ін.). Заміна доменного гранульованого шлаку на злектрогер-мофосфорньїй шлак дозволяє підвищити міцність затверділого каменю на згин. ,

3. Встановлено, що істотний вплив на швидкість структуроутворення шлаколужних розчинних сумішей і синтез міцності штучного каменю чинить співвідношення оксидів Nа2О/А120з в системі. При цьому оптимальна область зміни цього співвідношення складає 0,93 - 1,33. Зниження, або підвищення зазначеного співвідношення №20/АІ203 сприяє зниженню ступеня гідратації системи, погіршенню реологічних властивостей і зниженню міцності штучного каменю.

4. За допомогою методів математичного планування експерименту розроблено й оптимізовано склади тампонажних розчинів із регульованими властивостями, що працюють при температурі Т = 75°С і тиску Р = ЗО МПа та характеризуються середньою густиною 1390 - 1470 кг/м3, коефіцієнтом водовідділення В = 0-1,78 %, міцністю при згині 1,24 - 1,96 МПа і міцністю при стиску 4,0 - 7,0 МПа. При цьому показано, що для систем на основі доменного гранульованого шлаку оптимальні властивості забезпечуються при вмісті бентоніту 5,0-9,38мас. % і густині розчину лужного компоненту в межах 1050 - 1127 кг/м3, а для систем на основі електротер-мофосфорного шлаку оптимальний вміст бентоніту складає 6,25-10 масс.%, а густина лужного компоненту може змінюватися в межах 1100-1127 кг/м3.

5. Досліджено властивості оптимальних складів полегшених шлаколужних тампонажних розчинів в інтервалі температур 75 - 120°С і тиску 30 - 60 МПа. Покатано, шо при середній густині тампонажного розчину 1320-1450 кг/м3, і коефіцієнті водовідділення 0 - 3 % і вмісті води 135-190 % такі розчини характеризуються високими міцностними характеристиками (Изг = 1,0 - 3,4 МПа) та високими показниками водостійкості Кс=1,07-2,18 і корозійної стійкості Кс=0,97-2,16, які перевищують аналогічні показники тампонажних розчинів на основі портландцементу.

6. Визначено, що розроблені склади характеризуються високими технологічними й експлуатаційними властивостями, за строками тужавлення і загустівання задовольняють вимогам, які висуваються до тампонажних розчинів, що працюють в умовах помірних і підвищених температур, а за умовами міцності і проникності перевищують показники традиційних тампонажних розчинів у 1,5-2 рази. При цьому встановлено, що при використанні карбонатних лужних компонентів, розроблені шлаколужні тампонажні розчини можуть бути рекомендовані для роботи в інтервалі температур 75 - 120 °С і тисків 30-60 МПа, а при використанні силікатних лужних сполук область використання розроблених складів обмежена до температури 100 °С і тиску 50 МПа.

7. В системі Полтавського тампонажного управління здійснено впровадження розробленого полегшеного шлаколужного тампонажного розчину середньою густиною 1440 кг/м3 при цементуванні експлуатаційної колони діаметром 146 мм Скороходівського родовища АТ “Укрнафта”. Фактичний економічний ефект від впровадження полегшеного шлаколужного тампонажного розчину склав за цінами 1994 р. 14506220 крб., що становить 51,5% від вартості традиційного полегшеного тампонажного цементу (ОЦГ).

Основні положення дисертації викладено в працях:

1. Маматкулов А.М. Фізико-хімічні основи отримання складу полегшених шла-колужних тампонажних розчинів // 36. наук. пр. / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. - Рівне: Рівненський державнийтехнічний університет. 1999. Вип. 2-С. 31-37.

2. Маматкулов А.М. Свойства облегченных шлакощелочных тампонажных растворов // Ежегодный науч.-техн. сб. / Современный проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ООО “ Лебедь”-1999 - С.99-102.

3. Маматкулов А.М. Шлакощелочные тампонажные растворы // Науч.-техн. сб. / Коммунальное хозяйство городов. Харьковская Государственная академия городского хозяйства.- Киев: “Техніка”. - 1999. Вып. 20 — С. 83 - 87.

4. Кривенко П.В., Маматкулов А.М. . Облегченные шлакощелочные тампонажные растворы // 36. наук. ст. / Науково-практичні проблеми цивільної оборони в системі МНС. - Київ: “Випол”. - 1998. Вип.1 - С. 60 - 64.

5. Маматкулов А.М. Влияние вида шлакового компонента на процессы твердения и формирование свойств облегченных тампонажных растворов // 36. наук. ст. / Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій. - Київ: “Чорнобильінтерінформ.” - 1999. Вип.2 - С. 26 - 29.

6. Маматкулов А.М. Облегченные шлакощелочные тампонажные растворы / Тез. докл. I Межцунар. конф. "Щелочные цементы и бетоны", 11-14 окт. 1994.- К.: “Vipol”. - 1994. - С.1061-1067.

7. P.V.Krivenko, J.V.Skurchinskaya, A.M.Mamatkulov. Slag Alkaline oil well cements // Inteml conf. “Con Chen” 28-30 nov. les pyramides, Brussels, 1995. -P.85-90.

8. Кривенко П.В., Маматкулов A.M. Полегшені шлакові лужні тампонажні розчини, //Тез. докл. науково-практичні коиф. "Стан проблеми і перспективи розвитку нафтогазового комплексу Західного регіону України", 28-30 березня 1995 p., -Львів: “Знання”.- 1995. -С. 154- 155.

АНОТАЦІЯ

Маматкулов А.М. Полегшенні щлаколужні тампонажні розчини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний

університет будівництва і архітуктури, Київ. 2000.

В роботі теоретично обгрунтована та практично підтверджена можливість одержання полегшених (середня густина 1320-1490 кг/м3) шлаколужних тампонажних розчинів, що працють в умовах помірних та підвищених температур (75120 °С) та тисків (30-60 МПа).

Встановлено, що вміст бентоніту в шлаколужних в'яжучих визначається хімічним складом алюмосилікатного компоненту і кількістю лужного компоненту. При цьому найбільш сприятливі умови для процесів структуроутворення таких систем створюються за рахунок розмірів відношення оксидів. Незалежно від виду лужного компоненту у складі новотворень штучного каменю формуються переважно цеолітоподібні сполуки складу гідронефеліну, анальциму і морденіту, які сприяють одержанню матеріалу із високими фізико-механічними властивостями.

Розроблені та оптимізовані склади тампонажних розчинів та визначені методи регулювання їх властивостей в залежності від необхідних умов їх експлуатації. Розроблені основи технології одержання запропонованих матеріалів. Результати роботи реалізовані в умовах промислового виробництва.

Ключові слова: Полегшені щлаколужні тампонажні розчини, модифікований компонент, структуроутворення, цеолітоподібні сполуки, загущення.

АННОТАЦИЯ

Маматкулов А.М. Облегченные шлакощелочные тампонажные растворы.

- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев. 2000.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию облегченных (р=1320-1490 кг/м3) шлакощелочных тампонажных растворов, работающих в условиях умеренных и повышенных температур (Т=75-120 °С) и давлений (Р=30-60 МПа). В работе теоретически обоснована и практически доказана возможность получения шлакощелочных тампонажных растворов с заданными свойствами за счет модифицирования дисперсной среды шлакощелочных вяжущих добавкой алюмосиликатного состава - бентонитовой глины, позволяющей в силу особенностей структуры бентонита, не только повышать водоудерживающую способность растворных смесей, но и направленно управлять процессами структурообразования при их твердении. -

Исследованы процессы структурообразования шлакощелочных растворных смесей, обеспечивающе технологические характеристики тампонажных растворов в системе: "ишак + бентонит + щелочной компонент" при твердении в условиях повышенных температур (75-120 °С ) и давлений (30-60 МПа) в зависимости от вида шлака, количества добавки бентонитового порошка и природы щелочного компонента.

Показана взаимосвязь состава модифицированных бентонитом шлакощелочных вяжущих на процессы структурообразования и свойства твердеющих систем.

Установлено, что содержание бентонита в составе шлакощелочных вяжущих определяется химическим составом алюмосиликатного компонента и количеством щелочного компонента. При этом, наиболее благоприятные условия на процессы структурообразования таких систем оказывает величина отношения 1\[а20/А1203, в пределах значений которой 0,93-1,33, независимо от вида щелочного компонента, в составе новообразований искусственного камня формируются преимущественно цеолитоподобные соединения состава гидронефелина, анальцима и модернита, способствующие получению материала с высокими физико-механическими свойствами (^*=4,0-7,0 МПа; КНЗг=1,46-2,4 МПа) и низкой средней плотностью (р=1320-1490 кг/м3).

Разработаны и оптимизированы составы тампонажных растворов и определены методы регулирования их свойствами в зависимости от требуемых условий их эксплуатации. Показано, что при использовании основных доменных гранулированных шлаков, независимо от природы щелочного компонента, оптимальные технологические и строительно-технические свойства тампонажных шлакощелочных растворов достигаются при содержании бентонита в составе вяжущего в количестве 5-9,38 мае. %, а при использовании электротермофосфориых шлаков содержание бентонита должно составлять 6,25-10 мае. %. Исследование свойств оптимизированных составов шлакощелочных тампонажных растворов в интервале температур Т=75-120 °С и давлений Р-30-60 МПа показало возможность регулирования плотности тампонажного раствора в пределах 1320-1450 кг/м3, коэффициента водоотделения 0-3% при водосодержании растворов 135-190 % и прочностных характеристиках в пределах Кюг=1,0-3,4 МПа, 1^=2,0-6,2 МПа.

Определено, что разработанные составы характеризуются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами, которые удовлетворяют по срокам схватывания и времени загустевания требованиям, предъявляемым к тампо-нажным растворам, работающим п условиях умеренных и повышенных темпера-

Ф, а по условиям прочности и проницаемости превышают их в 1,5-2 раза. При гом установлено, что при использовании карбонатных щелочных компонентов, пработанные шлакощелочные тампонажные растворы могут быть рекомендо-шы для работы в интервале температур 75 - 120 °С и давлений 30-60 МПа, а при пользовании силикатных щелочных соединений область использования разра-зтанных составов ограничена до температуры 100 °С и давления 50 МПа.

Разработанные составы тампонажных растворов характеризуются высоки-и показателями водостойкости (Кс= 1,07-2,18) и коррозионной стойкости 4=0,97-2,16), которые превышают по данным сравнительных испытаний соот-:тствующие показатели тампонажных растворов на основе портландцемента.

Разработаны основы технологии получения предложенных материалов. Ре-льтаты работы реализованы в условиях действующего производства.

Ключевые слова: облегченные шлакощелочные тампонажные растворы, эдифицирующий компонент, структурообразование, цеолитоподобные соеди-;ния, загустевание.

ANNOTATION

Mamatkulov A.M. Lightweight slag alkaline tamping mortars. - Manuscript.

Ph.D. Thesis in the speciality 05.23.05 Building Materials and Articles.- Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv. 2000.

The possibility of obtaining of lightweight (mean density of 1320-1490 kg/m3) ig alkaline tamping mortars, which work in conditions of usual and increased tem-ratures (75-120°C) and pressures (30-60 MPa), was theoretically proved and practi-lly confirmed.

It was established, that the contents of bentonite in a structure of slag alkaline binds is determined by a chemical composition of aluminosilicate component and quantity of alkaline component. Thus the most favourable conditions for structure formation proc-ses of such systems are formed under condition of formation mainly of zeolite-like com-nations of a hydronepheline, analcime and mordenite structures, which promote the ob-ining of a material with high phisical-mechanical properties.

The composition of tamping mortars was developed and optimized and the sthods of regulation of their properties were determined depending on conditions of sir exploitation. The results of work were realized in conditions of industrial produc-m.

Key words: Lightweight slag alkaline tamping mortars, modified component, ucture formation, zeolite-like compounds, thicking.