WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

- сохранение естественной проницаемости нефтенасыщенных пород;

- сохранение окружающей среды;

- низкая коррозионная активность по отношению к цементному камню и обсадным трубам;

- простота, удобство в приготовлении;

- низкая стоимость и недефицитность материалов;

- экологическая безопасность применяемых материалов.

В наибольшей степени указанным требованиям отвечают композиции на основе неорганических отходов промышленности.

Объектом исследования в работе был выбран отход металлургического производства - феррохромовый саморассыпающийся шлак (СРШ). Для примера приведем химический состав саморассыпающегося шлака Челябинского завода, который содержит: СаО - 50-56%, MgO - 8-12%, Al2O3 - 5-8%, SiО2 - 24-27%, Cr2O3 – 3-7%, Fe2O3 – 0,8-0,9%, FeO – 1-2%, прочие примеси - 4-9%.

Саморассыпающийся шлак представляет собой дисперсный порошок с удельной поверхностью около 200 м3/кг. Он является многотоннажным отходом промышленности, имеющим 4 класс опасности.

Нами теоретически была показана возможность образования прочного геля при взаимодействии СРШ с раствором соляной кислоты. При этом в результате химической реакции между СРШ и соляной кислотой происходит образование коллоидных частиц кремнезема и гидроксида алюминия по схеме + H Cl CaO MgO Cr O Fe O FeO Al O 2 SiO + 2 3 2 3 2 3 + H OH 2x 2-2n+ + 2xH+ +{[Al(OH)3]m nAl3+ 3(n - x)Cl-}3x+ + (SiO nSiO3 2(n - x)H 2)m + 3xCl- + Ca2+ + Mg2+ + Fe3+ + Cr3+.

При относительно низкой концентрации СРШ за счет полимеризации кремневой кислоты в растворе образуется гель, а алюминий присутствует в виде растворимой соли и в гелеобразовании не участвует. Но при повышении концентрации СРШ в растворе происходит коагуляция гидроксида алюминия ввиду его амфотерности, а полимеризация монокремневой кислоты идет более продолжительно и не успевает завершиться из-за быстрого расхода соляной кислоты.

Таким образом, при использовании СРШ и соляной кислоты гелеобразование протекает в три стадии: а) полимеризация мономера с образованием коллоидных частиц; б) рост коллоидных частиц; в) связывание коллоидных частиц сначала в разветвленные цепочки, затем в сетки, распространяющиеся на всю жидкую среду и уплотняющие ее в гель.

Поскольку скорость гелеобразования композиции зависит от удельной поверхности СРШ, были рассмотрены способы ее увеличения. После анализа существующих технологических приемов повышения удельной поверхности дисперсных материалов и применяемых помольно-смесительных агрегатов был сделан вывод о перспективности дезинтеграторной технологии. Основанием для данного заключения являются и результаты работ проф. Каримова Н.Х. и других авторов, показавших, что при дезинтеграторной обработке твердых веществ одновременно с увеличением удельной поверхности обрабатываемых материалов происходит их активация. Все это должно привести не только к повышению растворимости СРШ, но и к значительному повышению прочности получаемого геля, благодаря открытию дополнительных активных связей (центров), участвующих в формировании прочных коллоидных растворов.

Для повышения прочности получаемого геля и регулирования водородного показателя pH в раствор добавлялся оксид кальция. Его введение, повышая водородный показатель композиции, способствует образованию дополнительных межмолекулярных связей и повышает прочность получаемого геля. Такие изменения связаны с образованием “сшитых” через катионы щелочно-земельных металлов термостабильных объемных структурированных гелей.

Свойства гелеобразующих составов измерялись стандартными приборами, применяемыми для измерения свойств буровых растворов.

Во многих работах, посвященных герметизации заколонного пространства и оценке применяемых для этого материалов, в качестве критерия использовалось давление гидро- или газопрорыва (давление начала фильтрации жидкости или газа) через образец породы, или элемент модели заколонного пространства. Мы полагаем, что большую объективность даст градиент давления гидро- или газопрорыва (градиент начала фильтрации), получаемый отношением давления к длине образца. Именно он является количественным показателем герметизирующей способности гелеобразующих составов и в достаточной мере характеризует условия ликвидации перетоков. Метод достаточно сложен, поэтому для качественной характеристики гелеобразующих композиций был использован показатель пластической прочности, для определения которого предложена усовершенствованная методика академика П.А. Ребиндера. При этом стальной конус прибора был заменен пластмассовым с углами при вершине 30, 45, 600.

Для испытания гелеобразующих составов в условиях, приближенных к условиям работы крепи скважин, а также для оценки возможности применения гелеобразующих составов для герметизации перетоков газа был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, схема которого приведена на рис. 1. Его основным узлом являются наборные секции НКТ диаметром 73 мм, моделирующие затрубное пространство скважин. Нижняя часть секции НКТ имеет отвод для соединения с газовым или водяным баллоном. Секции установки соединяются между собой с помощью муфт 8. Верх установки закрывается крышкой 16. Давление контролируется через отводы, находящиеся в соединительных муфтах, в верхней и нижней крышках. Установка позволяет собрать модель любой длины с подачей пластового флюида (газ, жидкость) под давлением в любом месте модели «затрубного пространства» и производить контроль давлений на любом участке «скважины».

Методика экспериментов предусматривала приготовление цементного раствора, его заливку в трубу установки и последующее ожидание затвердевания (ОЗЦ) в течение 24 часов. Затем к нижнему отводу подводился газ и создавалось избыточное давление, регистрируемое манометрами 1, 2, 3.

Прорыв газа определялся по изменению давления на остальных манометрах 4, 5, 6.

В экспериментах по исследованию водоизолирующей способности геля в установке предусматривалось формирование камня (модели породы) с заданной проницаемостью. Сначала определялась проницаемость модели по воде, затем проводилась закачка расчетного объема гелеобразующего состава.

После выдержки необходимого времени для образования геля модель испытывалась на прорыв по воде с последующим определением проницаемости камня.

Рис.1. Схема экспериментального 2/ стенда:

1,2,2/,3,4,5,6-манометры; 7- НКТ; 8соединительные муфты,; 9- бак для плавного пуска газа; 10- баллон с сжатым азотом; 11- бак для закачиваемой жидкости; 12- бак для воды; 13- трубки высокого давления; 14- вентили; 15мерная емкость; 16- верхняя крышка; 17нижняя крышка 11 Оценка герметизирующей способности гелеобразующего состава также проводилась и на установке УИПК. Объектами исследования на УИПК являлись искусственные керны, изготовленные путем добавки кварцевого песка к портландцементу при различных водоцементных отношениях.

Качественная сторона проводимых исследований сводилась к снижению фильтрации газа или воды через геленасыщенный образец до нуля при определенном перепаде давления на концах образца.

В случае, когда после выдержки гелесодержащей модели под давлением обнаруживался прорыв флюида, фиксировалось давление прорыва, по которому рассчитывали градиент давления прорыва. Сравнением первоначальной проницаемости образцов с проницаемостью после закачки и упрочнения геля определялась герметизирующая способность гелеобразующих составов.

В третьей главе изложены результаты лабораторных исследований влияния некоторых физико-химических факторов на свойства разработанных гелеобразующих составов на основе СРШ и соляной кислоты.

Исследовалось влияние концентрации исходных компонентов, температуры и минерализации раствора на время гелеобразования и прочность полученного геля. При этом за время гелеобразования принималось время, за которое гель достигает прочности 5,0 Па.

Для определения влияния концентрации исходных реагентов на исследуемые параметры использовался метод рационального планирования эксперимента, который позволил получить математические выражения, связывающие переменные факторы с исследуемыми параметрами:

Yi= a0 + a1X1 + a2X2 + a3X3, где Yi - оценочные параметры, в качестве которых были время гелеобразования, пластическая прочность, водородный показатель;

a0, ai - коэффициенты уравнения множественной линейной регрессии.

В качестве входных (переменных) факторов были взяты: X1 - концентрация СРШ (8 - 11%); X2 - концентрация HCl (7 - 10 %); X3 - концентрация CaO (0,5 - 0,8%).

Степень влияния переменных факторов на величины оценочных параметров определялась по коэффициенту эластичности. При этом было установлено, что изменение концентрации соляной кислоты оказывает большее влияние на время гелеобразования и пластическую прочность. В то же время, концентрация СРШ сильнее влияет на водородный показатель.

В результате исследования влияния концентраций исходных компонентов на время гелеобразования установлено, что увеличение СРШ от до 12 % приводит к уменьшению времени гелеобразования от 3 суток до часов.

Применение минерализованной воды при приготовлении гелеобразующих растворов уменьшает время начала гелеобразования. В частности, засолонение пресной воды до плотности 1060 кг/м3 сокращает время гелеобразования с 20 до 17 часов.

С повышением температуры время гелеобразования уменьшается. Так при 200С время гелеобразования составляет 41 - 19 часов, а при температуре 700С время гелеобразования уменьшается до 13 - 5 часов, в зависимости от компонентного состава. Наиболее существенное уменьшение времени гелеобразования происходит при температуре до 500С. Также с повышением температуры от 20 до 700С увеличивается прочность геля от 16 до 28 Па в зависимости от концентрации реагентов.

Гелеобразующие составы обладают повышенной термостойкостью, составляющей более 1800С.

В лабораторных условиях исследовалось влияние степени активизации СРШ в дезинтеграторе на его растворение и прочность получаемого геля.

Эксперименты показали, что повышение удельной поверхности от 185 до м2/кг приводит к уменьшению содержания нерастворившегося остатка СРШ в растворе соляной кислоты от 17 до 2%.

16 Пластическая прочность Время гелеобразования 0 100 200 300 400 Удельная поверхность, м2/кг Рис. 2. Влияние удельной поверхности СРШ на время гелеобразования и пластическую прочность геля Из рис. 2 видно, что при увеличении удельной поверхности пластическая прочность геля повышается почти в 2 раза.

При удельной поверхности саморассыпающегося шлака 400 м2/кг и выше дезинтеграторная обработка перестает оказывать влияние на время гелеобразования и прочность геля. Разработанный гелеобразующий состав имеет вязкость 1,13- 2,23 мПа*с, в зависимости от концентрации реагентов, и это значение остается постоянным в течение 3- 5 часов (до начала времени гелеобразования), достигая 62,11 мПа*с. Плотность гелеобразующих композиций меняется от 1064 до 1109 кг/м3.

Результаты экспериментальных исследований свойств разработанных гелеобразующих составов позволили обосновать возможность их применения в качестве герметизирующей композиции. Для более детального исследования герметизирующей способности гелеобразующих композиций были выбраны составы, представленные в табл.1. При практически равных показателях, используемых на этапе приготовления и закачки состава, они существенно отличаются друг от друга прочностью получаемого геля.

ч Па Время гелеобразования, Пластическая прочность, Таблица Состав и свойства гелеобразующих композиций Номер Концентрации Вязкос Плотн Время Пластическая композ исходных реагентов, ть, ость, гелеобразова прочность, Па иции % мПа*с кг/м3 ния, ч СРШ HCl CaO 1 11 9 0,7 1,20 1109 21 22,2 10 9 0,7 1,17 1105 22 18,3 9 8 0,8 1,13 1093 29 10,В четвертой главе приведены результаты исследования герметизирующей способности разработанных гелеобразующих составов (композиций) и обоснование технологического регламента на их применение для восстановления герметичности заколонного пространства скважин.

Исследования проводились на экспериментальном стенде при постоянных геометрических характеристиках модели пористой среды (длина 0,4 м, внутренний диаметр 0,055 м) и объемах закачки. В качестве входных факторов были выбраны коэффициент проницаемости камня и прочность геля, которые соответственно изменялись в пределах 0,1 - 0,4 мкм2 и 10 - 22 Па.

Результаты некоторых экспериментов, проведенных на экспериментальном стенде при 200С, представлены в табл.2.

Таблица Результаты оценки герметизирующей способности гелеобразующих композиций Номер Проницае Компо Пластическ Градиент Градиент Снижение экспер мость зиция, ая давления давления водопрон имента образца, по прочность, газопрор гидропрор ицаемости мкм2 табл.1 Па ыва, ыва,, МПа/м МПа/м раз 1 0,136 1 22,26 Прорыв отсутствует 2 0,253 1 22, 26 -//3 0,417 1 22, 26 -//4 0,151 2 18,56 -//5 0,245 2 18,56 -//6 0,428 2 18,56 -//7 0,126 3 10,50 8,5 11,2 8 0,273 3 10,50 7,3 10,0 9 0,389 3 10,50 5,7 8,3 Из приведенных данных видно, что проницаемость камня по воде и по газу после обработки его гелеобразующим составом может быть снижена практически до нуля. В экспериментах 1 - 6 гелеобразующие композиции с пластической прочностью 18 - 22 Па предотвращают прорыв и при градиенте давления 12,5 МПа/м. При применении гелеобразующей композиции с пластической прочностью 10,5 Па (эксперименты 7 - 9) наблюдается прорыв газа и воды, причем сопротивление прорыву по газу в 1,4 раз меньше, чем по воде. Предельный градиент давления гидропрорыва по воде составил 8,3 - 11,МПа/м, а снижение проницаемости в зависимости от характеристики модели в 61 – 76 раз.

Эксперименты показали, что исследуемые гелеобразующие составы обладают высокой герметизирующей способностью за счет равномерного и полного заполнения пористой среды проницаемой модели и создания прочного непроницаемого изоляционного экрана. Мы считаем, что в зависимости от характера нарушения заколонного пространства в качестве герметизирующего гелеобразующего состава могут рекомендоваться композиции с пластической прочностью 18 Па и больше.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»