WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

P x к – коэффициент, учитывающий диаметры скважины и труб, модули упругости цементного камня и материала, окружающих цементное кольцо поверхностей; х0 - пороговое давление, ниже которого контакты теряют герметичность; Рсм- давление смятия обсадной трубы; Р1- давление столба жидкости в обсадной колонне; Рх - гидравлическое давление, при котором происходит расширение.

Анализ показал, что чем меньше модуль упругости цементного камня Ец, тем больше коэффициент к. Это свидетельствует о том, что чем прочнее цементный камень, тем меньше необходимая величина расширения для обеспечения герметичности, при том, что ограничивающие поверхности обладают достаточной жесткостью. В то же время, чем меньше модуль упругости цементного камня, тем «эластичнее» цементный камень и тем большей должна быть величина его расширения.

На основе ранее проведенных исследований Данюшевского В.С. и Каримова Н.Х. по определению влияния гидравлического давления на расширение цементов с плотностью раствора 1820 – 2000 кг/м3 нами было изучено влияние данного фактора на величину расширения облегченных цементов. Установлено, что она очень чувствительна к гидравлическому давлению по сравнению с утяжеленными цементами и цементами нормальной плотности и уменьшается более чем на 30 – 60%. Чем меньше плотность цементного раствора, тем большее влияние на величину расширения оказывает давление.

В частности, было показано, что увеличение гидравлического давления поровой жидкости значительно (почти в два раза) снижает величину расширения облегченных цементов по сравнению с расширяющимися цементами нормальной плотности. Это необходимо учитывать при проектировании составов облегченных расширяющихся цементов.

Установленные закономерности говорят о том, что облегченные тампонажные материалы должны обладать упругоэластичными свойствами при достаточной механической прочности, а при ухудшении механических характери стик расширение цемента должно изменяться в обратной зависимости, т.е. с уменьшением прочности камня его расширение должно увеличиваться.

При нормировании величины расширения цементного камня необходимо также учесть изменение давления в колонне при колебании температуры в скважине при гидратации тампонажного материала. Пусть в период структурообразования и начальный период твердения цементный камень расширяется на величину l и создает на контактах с ограничивающими поверхностями давление N. В дальнейшем давление в колонне снижается из-за изменения температуры (на величину Nt) и при замене продавочной жидкости на воду (на величину Nр). Это приведет к изменению контактного давления на величину Np+Nt.

Чтобы компенсировать такое падение контактного давления, цемент должен расширяться еще на величину Lр и Lt. Кроме этого, во время работы скважины происходит релаксация давления на контакте. Для компенсации релаксации необходимо еще расширение на величину L. Отсюда общая необходимая величина расширения цементного камня составит:

L = Lр +Lt +L. ( 2 ) Следовательно, для сохранения требуемого давления цементного камня на обсадную колонну необходимо обеспечить его соответствующее расширение. В общем случае задача получения облегченных расширяющихся тампонажных материалов с оптимальной величиной расширения и достаточным давлением на контакте сводится к подбору расширяющих добавок, скорость расширения которых увязана со скоростью структурообразования и твердения базового вяжущего. При этом необходимо учитывать время цементирования.

Многие свойства цементного раствора, камня определяются его химической природой и микроструктурой. Микроструктура зависит от природы как твердой, так и нетвердой фаз, т.е. поровой структуры.

Существует аналитическая зависимость между прочностью и пористостью цементного камня, выражающаяся полуэмпирической формулой = 0 (1- ) n, где - предел прочности; 0 - теоретическая прочность; - коэффициент пористости; n – эмпирический коэффициент. При одинаковой пористости модуль упругости и прочность камня достигают своего максимума при оптимальном соотношении между хорошо и слабо закристаллизованными C-S-H фазами. Это объясняется тем, что слабо закристаллизованные фазы обеспечивают большую площадь контакта, уменьшая пористость получаемого камня.

Облегчение тампонажных материалов до плотности 1450 кг/м3 и менее в основном достигается за счет увеличения водоцементного отношения до 0,71,5. При этом прочность и проницаемость камня в ранние сроки твердения значительно ухудшаются. Прочность падает в несколько раз, пористость и проницаемость увеличиваются в 2-3 раза. В этих же пределах уменьшается и величина расширения. Низкая прочность, большая проницаемость приводят к сильному снижению коррозионной стойкости цементного камня. Поэтому для повышения коррозионной стойкости камня из облегченных тампонажных материалов необходимо уменьшить пористость, проницаемость и размеры пор. Капиллярное пространство и поры более крупного размера могут быть заполнены введением в состав цемента тонкомолотых добавок и добавок, формирующих тонкие кристаллики в поровом пространстве. Кроме этого, для повышения прочности каркаса в облегченных цементах возможно применение высокоактивных вяжущих с высокой степенью гидратации.

Повышение прочности камня возможно за счет механохимической активации тампонажных цементов и добавок. Такое воздействие позволяет повысить активность отдельных ингредиентов облегченного цемента в зависимости от очередности протекающих реакций.

Из строительной практики известно, что введение кремнеземистых добавок значительно повышает прочность цементного камня. Теоретический аспект данного явления состоит в том, что связывание свободной извести кремнеземом приводит к снижению щелочности жидкой фазы и создает благоприятные условия для образования низкоосновных гидросиликатов кальция. В то же время, кремнеземсодержащие материалы отличаются друг от друга своей активностью. Так, например, кремнегель является самым активным материалом в отношении связывания извести, затем следуют опоки, диатомит, золы ТЭЦ и песок. В частности, золы связывают 300-350 мг/л извести против 92 мг/л для обычного песка.

Показателем скорости гидратации при активации может быть изменение концентрации извести или вообще электролита в жидкой фазе цементного раствора в процессе его твердения. Исследования влияния механоактивации на процесс твердения цемента и его смеси с золой, а также с диатомитом и кремнеземом, показали, что концентрации Са(ОН)2 в жидкой фазе после 3-4 часов гидратации при температуре 75 0С различны не только для различных смесей, но и для смесей одного и того же состава в зависимости от режима активации.

Активация приводит к повышению скорости связывания извести в начальные стадии гидратации и тем больше, чем интенсивнее режим активации. Проведенный анализ показал, что из исследованных облегчающих добавок для получения расширяющихся облегченных тампонажных материалов по своим физико-химическим свойствам, а также минералогическому составу наиболее подходящими являются золы бурых каменных углей и сланцев. Золы, часто называемые зола-унос, представляют собой тонкий порошок, содержащий микросферы. Благодаря содержанию SiO2 и Al2O3 достигается термо- и коррозионная стойкость получаемого камня. Наличие свободного СаО и MgO в золах может обеспечить расширение камня. Зола-унос в сильно измельченном виде в присутствии влаги вступает в химическую реакцию с гидроксидом кальция при нормальной температуре с образованием гидросиликатов кальция. При использовании золы с портландцементом последний становится поставщиком гидроксида кальция, который взаимодействует с активным кремнеземом или алюмосиликатами, содержащимися в золе с образованием продуктов твердения. Зола обладает значительно меньшей водопотребностью по сравнению с другими облегчающими добавками и, кроме того, содержит оплавленные полые шарики, которые способствуют облегчению цемента при невысоких водосмесевых отношениях. Состоящая из мелких равных стеклообразных сферических частиц зола обладает способностью заполнять пустоты или капиллярные поры в цементном камне, одновременно улучшая реологические свойства раствора. В то же время золы-унос большинства электростанций на отвалы транспортируются гидравлическим путем, что приводит к гидратации золы и к потере их активности. Такие золы требуют щелочной активации путем введения в их состав активной извести.

Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что в камне из цементно-зольных смесей содержатся свободный кремнезем (SiO2) и остатки несвязанной золы. Это приводит к увеличению проницаемости и уменьшению прочности камня. Свободный SiO2 и остаток золы можно связать за счет увеличения количества цемента, но при этом увеличивается плотность раствора. Более экономичным при сохранении плотности раствора для связывания SiO2 и остатков золы является введение в состав смеси извести, до соотношения СаО/SiO2 0,9 … 1,6.

Поскольку золы, удаляемые в отвалы гидравлическим путем, имеют высокую влажность, то для исключения этапа сушки золы в печах нами предлагается новая энергосберегающая технология приготовления облегчающей добавки на основе золы-унос. Суть ее состоит в том, что сушка проводится за счет тепла, выделяемого при гидратации негашеной извести, т.е. облегчающая добавка получается путем смешения негашеной извести с влажной золой в определенных соотношениях. Для обеспечения эффекта расширения 10-15% извести должно оставаться негашеной.

При этом разработана методика расчета состава модифицирующей добавки (золы и негашеной извести) в зависимости от влажности компонентов. Для того, чтобы при твердении цемента заполнить образующиеся капиллярные поры мелкими активными частицами золы и кристалликами Са(ОН)2, согласно предлагаемой технологии, полученная смесь должна подвергнуться тонкому измельчению.

Разработанные облегченные расширяющиеся тампонажные цементы я вляются многокомпонентными, отличающимися по тонкости помола, гранулометрическому составу, реакционной активности и плотности. Автором обоснована и предложена технология раздельного помола облегчающей добавки с последующей совместной обработкой вяжущего и добавок. Для активационного измельчения тампонажных композиций предложено применение дезинтеграторной технологии.

В третьей главе описаны приборы, методы и средства, использованные для исследований.

Для химического анализа кремнеземсодержащих материалов использовались методы, описанные в стандартах для силикатных материалов.

Физико-механические свойства цементов, раствора, камня определялись на стандартных приборах согласно ГОСТ 1581-96 и ГОСТ 310.1.96. Помол и активация сырьевых и тампонажных материалов производились на лабораторном дезинтеграторе ДЕЗИ 72М. Объемные деформации, контракция и водоотдача определялись на специально разработанных приборах. Удельная поверхность определялась на приборе ПСХ-4 и по методу БЭТ. Модуль упругости цементного камня изучался акустическим методом на приборе Бетон-1м. Для исследования химико-минералогического состава сырьевых материалов и продуктов твердения использовались приборы – дериватограф и дифрактометр ДРОН-2.0.

Давление, развиваемое расширяющимся цементом на контактах ц ементтруба, определялось на приборе, разработанном НПП «Азимут», типа ИКН-1.

Гранулометрический состав компонентов фракции до 80 мкм определялся стандартным методом сетевого анализа, а менее 80 мкм - седиментационным методом на фотоседиментометре «Анализат-10», основанном на осаждении частиц в рабочей жидкости.

В четвертой главе приводятся результаты исследований и разработки облегченных расширяющихся тампонажных материалов с использованием промышленных отходов, приводятся их физико-механические свойства, сделан анализ структуры и фазового состава сформированного цементного камня, кинетики расширения и структурообразования. Разработаны технологии получения и применения облегченных расширяющихся цементно-зольно-известковых тампонажных материалов. Приведены результаты промышленных испытаний.

Методика приготовления известково-зольной смеси состояла в следующем. Зола естественной влажности (около 30%) перемешивалась с негашеной известью с активностью 65%. Смесь доводилась до влажности 3%. Готовая известково-зольная смесь при различных соотношениях СаО/SiO2 вводилась в портландцемент. Из табл.1, где приведены результаты исследований, видно, что введение в портландцемент известково-зольной смеси приводит к повышению прочности камня в интервале температур 20-160 0С. При этом в интервале температур 20-75 0С оптимальная прочность получена при СаО/SiO2 - 1,6…0,9.

Дальнейшее уменьшение величины СаО/SiO2 приводит к некоторому снижению прочности камня, но она остается в пределах требований ГОСТ 1581-96.

Увеличение температуры твердения с 75до 160 0С приводит к росту прочности камня при всех соотношениях ингредиентов на 15-25% при безусадочности получаемого камня. Фазовый состав продуктов твердения в основном представлен низкоосновными гидросиликатами кальция CSH(B), алюминийзамещенным тоберморитом, гидрогранатами. Все указанные фазы относятся к термодинамически устойчивыми соединениям. Плотность раствора находится в пределах 14801640 кг/м3. В то же время водоотделение уменьшается в три раза по сравнению с традиционными облегченными растворами.

По нашему мнению, это связано с тем, что по сравнению с известными облегченными цементами водопотребность цементно-зольно-известковых смесей в 1,5 - 1,8 раза меньше, что положительно сказывается на параметрах получаемого цементного камня.

Таблица Технологические свойства цементно-зольно-известковой смеси Состав, смеси % Водо Прочность, МПа, при Т,0С С/S В/Ц 2R, от, Изгиб Сжатие мм кг/м3 деле- 22 75 100 120 140 160 22 75 100 120 140 ние, % 70 21 9 1,6 0,55 190 1640 1,4 2,4 4,7 5,2 5,7 6,3 5,7 4,2 9,4 10,0 11,2 12,7 12,60 28 12 1,5 0,6 185 1600 1,2 2,3 4,5 5,2 6,1 6,5 6,0 3,7 9,1 10,3 12,5 13,1 12,50 35 15 1,40 0,65 180 1580 0,2 2,0 4,3 4,7 5,2 6,5 6,2 3,5 8,6 9,4 10,0 13,5 13,40 42 18 1,30 0.65 185 1500 0,8 1,9 4,2 4,6 5,7 6,8 7,0 3,2 8,4 9,2 11,4 13,8 14,30 49 21 1,26 0,70 190 1490 0,5 1,8 3,7 4,5 5,6 6,7 7,0 3,0 7,5 9,0 11,3 13,4 14,50 40 10 1,15 0,65 180 1520 1,2 1,8 5,2 5,7 6,3 7,2 8,0 3,6 10,0 11,4 12,6 15,1 16,40 48 12 1,0 0,65 185 1500 1,5 1,7 4,7 5,5 6,7 7,5 8,2 3,0 8,2 10,6 14,0 15,7 16,30 56 14 0,90 0.7 190 1480 1,3 1,5 4,2 5,3 6,9 7,7 8,2 3,0 8,2 10,6 14,0 15,7 16,зола цемент известь За счет части извести, оставшейся непогашенной, данные составы при твердении обеспечивают расширение 0,2-0,25%. В некоторых случаях такая величина расширения не удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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