научная статья по теме Полые стеклянные микросферы -эффективный наполнитель для цементных тампонажных растворов Геофизика

Текст научной статьи на тему «Полые стеклянные микросферы -эффективный наполнитель для цементных тампонажных растворов»

Полые стеклянные микросферы -эффективный наполнитель для цементных тампонажных рас гворов

Д.В. Орешкин (МГСУ)

Hollow glass micro spheres -effective filling for cement grouting mortars

D.V. Oreshkin (MGSU)

Various types of micro sphere and their properties are reviewed. The influence of the hollow glass micro sphere dimensions on the cement rock structure formation is studied. The properties of calcareous rock with micro spheres after 2 days of hardening are given. The physical structure pattern of cement material including hollow micro spheres is defined more accurately.

Известные облегчающие наполнители для тампонажных цементных растворов (вспученный перлит, вспученный вермикулит, диатомит, керамзит, уголь, кокс и др.) под действием давления в скважине разрушаются, образуются новые поверхности, смачивающиеся водой затворения, и раствор становится непрокачивае-мым. Следовательно, наполнитель должен обладать достаточной прочностью при объемном сжатии. Именно такие показатели имеют полые стеклянные микросферы (ПСМС). Введение их в цементную систему позволяет получить материал плотной структуры, поризованной водонепроницаемыми ПСМС, обладающий низкой средней плотностью. Микросферы, технология их получения, применения в тампонажных растворах и других композиционных материалах известны в мировой практике. ПСМС выпускаются в

России [1, 2], США, Франции, Японии, Польше, Финляндии и других странах. Основные свойства, размеры ПСМС и их сравнение с размерами частиц цемента приведены в табл. 1 и 2.

Полые микросферы — это обычно сыпучие порошки, состоящие из тонкостенных наполненных углекислым газом, аммиаком, азотом оболочек диаметром до десятков микрометров [3], с коэффициентом теплопроводности 0,050,067 Вт/(м-°С). Стеклянные микросферы характеризуются не только малой плотностью, но и высокой удельной прочностью при объемном сжатии. Выпускают

стеклянные, керамические, полимерные, силикатные и углеродные полые микросферы.

В исследованиях использовались обычные микросферы (ПСМС) и аппретированные (АПСМС) (см. табл.1 и 2) [1-4]. Аппрет представляет собой кремнийоргани-ческую жидкость у-аминопропилтриэток-сисилан. Его расход составляет 0,3 % массы микросфер.

Одним из главных преимуществ полых стеклянных микросфер, применяемых для цементирования нефтяных и газовых скважин, является стабильность их свойств в сложных и сверхсложных гор-

Показатели «0» группы А «0» группы Б мсо-«о» А9(А) мсо-«о» А9(Б) Керамические (алюмосиликатные, Polish Drilling Fluids Service) Полимерные (фенолформальдегидные, Владимирский завод «Полимер-синтез»)

Натрийборосиликатное стекло (заводы «Стекловолокно», г. Новгород и «Стеклопластик», Московская область)

Плотность, г/см3: насыпная 0,12-0,16 0,16-0,20 0,12-0,16 0,15-0,20 0,32-0,45 0,35-0,45

средняя 0,24-0,30 0,31-0,40 0,24-0,30 0,31-0,40 0,65-0,8 0,7-0,9

Размер, мкм <200 <200 <200 <200 <500 <500

Коэффициент заполнения объема 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

Толщина стенки, мкм 1-2 2-3 1-2 2-3 4-6 4-6

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) 0,06 0,062 0,061 0,067 0,06 0,05

Прочность при объемном сжатии, МПа 10-15 12-18 12-15 15-20 <5 <4

частиц, мкм ПЦТ ПСМС АПСМС керамических микросфер полимерных микросфер

16-30 32,6 40,5 40,6 - -

31-45 28,1 27,2 25,7 - 5

46-60 15 10 10,7 5 10

81-250 2,7 - - 78 60

251-500 2,7 - - 12 20

Среднее значение 35,9 25,45 24,98 140,2 110,3

но-геологических условиях. Стабильность свойств обеспечивается особенностями производства ПСМС. Технологический процесс состоит из тщательного подбора составляющих шихты для получения стекла определенного состава. Такой состав гарантирует при заданной температуре раздува расплава газообразование и формирование полых тонкостенных шариков размерами микросфер, т.е. до 200 мкм. Состав стеклянных, керамических и полимерных микросфер представлен в табл. 3.

Комплексный анализ свойств микросфер позволил определить преимущества ПСМС по сравнению с другими микросферами и пористыми наполнителями [4].

В работе [4] приводится модель физической структуры цементного материала с ПСМС, отмечается роль микросфер в создании плотной контактной зоны новообразований на их поверхности и рыхлой структуры цементной матрицы в межмикросферном пространстве. При гидратации портландцемента с наполнителем из аморфного кремнезема возможно проявление гидравлического, пуццола-нического, структурирующего и геометрического эффектов, связанных с активностью наполнителя. Рентгенофазовый, микроструктурный и химический анализы показали, что стенки ПСМС состоят из стекла, в состав которого входит до 80 % аморфного кремнезема. В настоящее время в промышленных масштабах для крепления нефтегазовых скважин используется тампонажный раствор на основе цементного вяжущего и ПСМС (АПСМС), предложенного автором (а.с. № 1650625 и а.с. № 1640367). Поэтому была поставлена цель оценить факторы, влияющие на структурообразование при гидратации цемента со стеклянными микросферами.

Поскольку микросферы в 4 раза легче воды, определить удельную поверхность на приборе ПСХ-2 невозможно, поэтому она получена расчетным путем и составила 44100 см2/г. Кроме того, была рассчи-

теоретическая прочность полых микросфер. При этом использовались формулы, приведенные в работах [5-7], для определения критических нагрузок с учетом модуля упругости, коэффициента Пуассона, толщины стенки микросферы и радиуса срединной поверхности (оболочки). Сжимающие теоретические напряжения во всех нормальных сечениях микросферы по безмоментной теории изменялись от 827 до 2082 МПа. Если принять во внимание, что, по данным И.И. Китайгородского, Г.И. Горчакова и Ю.М. Баженова, стекло выдерживает в 80-100 раз меньшие напряжения, то полученные значения (10,326,0 МПа) вполне соответствуют паспортным данным для прочности при объемном сжатии ПСМС (АПСМС). Такое большое расхождение с теоретическими значениями связано, видимо, с дефектами структуры оболочки, различиями в составе стекла в стенках микросферы и др.

Для оценки геометрического фактора использовались результаты исследований размеров частиц цемента и микросфер, приведенные в работе [4] и табл. 2. Они показали существенно меньшие размеры стеклянных микросфер по сравнению с частицами цемента. Это свидетельствует о том, что геометрический фактор микросфер будет значительно влиять на структурообразование цементного раствора с ПСМС. Данные

Ингредиенты Содержание ингредиента, %, в микросферах

Примечание. В полимерных микросферах содержится только фенолформальдегед.

явления связаны с поверхностными силами частиц. У более мелких частиц (микросфер) такие силы больше из-за нескомпенсированности зарядов в частицах. Поскольку толщина оболочек полых стеклянных микросфер составляет 1-3 мкм, взаимная нейтрализация зарядов проблематична. ПСМС имеют форму идеального шара, полого внутри с тонкостенной оболочкой. Вокруг микросферы отсутствует неравномерное распределение концентраций напряжений, как, например, вокруг наполнителей сложной формы [3]. Для выявления влияния размеров ПСМС на структуро-образование цементного камня было выполнено разделение микросфер на две фракции: 1) с размером частиц 3560 мкм (составы 1 и 3); 2) с размером частиц менее 35 мкм (составы 2, 4). Определялась прочность цементного камня через 2 сут твердения. Прочность цементного камня с более крупными микросферами оказалась на 10-13 % выше, чем камня с более мелкими ПСМС, водо-потребность раствора снизилась на 1015 % (табл. 4). Разделение ПСМС осуществлялось раздувом их в зависимости от массы, т.е. средней плотности.

Результаты данного эксперимента подтверждают гипотетическое предпо-

Номер состава Размер ПСМС, Компонент Содержание ПСМС, % в/Ц Средняя плотность Прочность, МПа, при

мкм массы ПЦТ раствора, г/см3 изгибе

1 35-60 ПЦТ ПСМС 10 0,71 1,31 2,82 6,6

2 <35 ПЦТ ПСМС 10 0,83 1,28 2,45 5,84

3 35-60 ПЦТ ПСМС 30 1,27 0,9 1,63 3,52

4 <35 ПЦТ ПСМС 30 1,4 0,97 1,46 3,14

Примечания. 1. Давление атмосферное, температура равна 75 °С, растекаемость - 22 см. 2. Массовое содержание ПЦТ составляет 100 %.

ложение о роли микросфер в структуро-образовании таких систем. Более активные в адсорбционном отношении частицы ПСМС в составах 2 и 4 при смачивании притягивали сначала воду, а затем -продукты гидратации тампонажного портландцемента (ПЦТ), вытесняя лишнюю воду с поверхности ПСМС в межкомплексное пространство ПСМС-кон-тактный слой - ПСМС-контактный слой. Между ними после схватывания образовывались поры разных размеров. После смачивания микросфер вода адсорбировалась на частицах цемента. В составах 1 и 3 водоцементное отношение (В/Ц) снижалось на 10-12 % и смачивание происходило в противоположном направлении. На цементных частицах сразу начиналась гидратация 3CaOxSiO2 и 3СаОхА12Оз. При этом условия были более стесненные. Иммобилизации воды от ПСМС не происходило. Прочность таких систем существенно (на 10-15 %) выше, чем в первом случае. Данный способ повышения прочности цементного камня с ПСМС, размер частиц которых больше, чем цемента, к сожалению, труднореализуем. Это связано с неконтролируемостью процесса производства микросфер, трудностью их разделения в промышленных количествах с экономической и технической точек зрения.

Химический анализ и аморфная природа стенок полых микросфер предполагают, что наряду с геометрическим эффектом ПСМС обладают пуццоланической активностью.

Портландцемент при гидратации образует портландит, гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроалюмоферриты кальция. Тампонажные цементы, выпускаемые в России, являются низкоалюминатными и содержат больше 60 % алита (например, ПЦТ Вольского завода). По данным Г.П. Сахарова и Б.Н. Виноградова, при гидратации алита образуется около 40 % Са(ОН)2. С учето

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.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎