Влияние наночастицы диоксида кремния на прочностные характеристики цементного камня, тампонажного раствора класса G

При плохом наборе прочности цементного камня могут произойти ряд нижеперечисленных аварий.

• Различные перетоки;
• Загрязнение флюида;
• ГНВП;
• Ущерб окружающей среде;
• Деформация обсадных колон.

Эти вышеперечисленные проблемы приводят к простою буровой и высоким экономическим затратам. Поэтому важно подбирать рецептуру тампонажного раствора с сроками которые необходимы для данного этапа цементирования.

Существуют различные добавки ускорители сроков схватывания цемента данные химические добавки уменьшают время схватывания цементного раствора, что приводит к увеличению прочности.

Но есть негативное влияние данных добавок они увеличивают гель, тем самым повышая реологию, поэтому используют микрокремнеземы для увеличения прочности, но мы в своей работе будет исследовать нанокремнезем диоксида кремния для решения данных задач [1, 2, 4, 7].

Более подробное изучение влияние наночастицы диоксида кремния на прочностные характеристики цементного камня позволит понять, как изменяется прочность цементного камня, какой размер частицы наиболее активный для используемого нами тампонажного раствора.

Целью работы было проанализировать влияние диоксида кремния двух размеров (S1 ) – 149 м²/г, (S₅) – 24 м²/г и разных плотностей (S1 ) – 1,9584 г/см³, (S₅) – 2,2019 г/см³ на выбранную нами рецептуру цементного раствора и сделать сравнение с используемым в данной рецептуре микрокремнеземом (МК-85), и рассмотреть прочности на сжатия и реологических показаний.

Объектом исследований, была взята рецептура тампонажного раствора, используемого на Сузунском НГКМ, для цементирования эксплуатационной колонны интервала с боковым стволом, и наночастица диоксида кремния двух размеров S1= 149 м²/г, плотностью 1,9584 г/см³, S₅= 24 м²/г, плотностью 2,2019 г/см².

Тесты были выполнены в соответствии стандартам API в сертифицированной центральной лаборатории г Красноярска компании Шлюмберже.

Таблица 1

Используемое оборудование для проведения тестов

Состав раствора: цемент класса G с водоцементным соотношением 0,83, плотностью 1,6 г/см³, гидроксиэтилцеллюлоза 0,7%, полипропиленгликоль 2 л/т, модифицированный лигносульфонат 0,1%, микрокремнезем 2%. Все химические добавки были посчитаны от сухой массы цемента. Далее мы изменяли концентрации микрокремнезема и заменяли на диоксид кремния используя разные концентрации. Температура статическая 65⁰С, циркуляционная 54⁰С, забойное давление 38 Мпа. Реологические значения были посчитаны в программе «CEMENTICS 2020» и ориентированы на Бингамовсую модель. [5,6].

Результаты исследования приведены в таблицы 2.

Таблица 2

Прочностные характеристики S₅

Из таблицы 2 видно, что при 3 % происходит повышение прочности, при 1 прочность выше, чем при 2%.

В таблице 3 представленные прочностные характеристики цементного камня при добавлении нанодиоксида кремния S_1.

Таблица 3

Прочностные характеристики S_1.

Из таблицы 3 видно, что наиболее подходящая концентрация для данного раствора это 2 % при данной концентрации прочностные характеристики цементного камня составляют наибольшее значение.

В таблице 4 представлены прочностные характеристики цементного камня, при входящей в состав МК-85.

Таблица 4

Прочностные характеристики МК-85

Из таблицы 4 можно сделать вывод что в данном случае изменения прочности незначительный, и повышается с увеличением концентрации МК-85 максимальная прочность достигнута при 3% концентрации.

На рисунке предоставлена сравнительная характеристика влияния добавок на прочность.

Рис. График зависимости прочности

Из данного графика видно, что активней всех добавка нинодиоксида кремния S₁ она имеет самые высокие прочностные характеристики цементного камня, при концентрациях 1 и 2 % при 3 % прочность показал выше образец с добавкой S₅. Наихудшее показатели прочности были показаны цементным камнем в состав которого входил микрокремнезем МК-85. Из этого можно сделать вывод что более мелкодисперсная добавка в данном случае S₁ эффективней всего встраивается в структуру цемента при его застывание тем самым уменьшая количество свободных пор и увеличивая прочность цементного камня.

МК 85 – микрокремнезем

S₁ – наночастица диоксида кремния 149 м²/г, плотностью 1,9584 г/см²

S₅ – наночастица диоксида кремния 24 м²/г, плотностью 2,2019 г/см²,

Анализируя данные, можно сделать вывод что при добавление одинаковых процентов концентрации добавок, виден положительный эффект влияние на прочностные характеристики нанодисперсного диоксида кремния.

В дальнейшем будет проверена адгезия растворов содержащий диоксид кремния, будут поставлены опыты на разных температурах, также определим прочность гелия, и сравним с другими химическими веществами, для разных рецептур тампонажных растворов.

1. Овчинников В.П., Овчинников П.В., Мелехов А.В., Рожкова О.В. Проблемы и их решения при цементирование эксплуатационных колон высокотемпературных скважинах. – Известие высших учебных заведений. Нефть и газ, 2019. – С. 39-46.
2. Апаев А., Кабдушев А., Исследование фильтрационных свойств тампонажных растворов – Молодой ученый, 2018. № 18 (204). – С. 39-42.
3. Гусев Б.В., Минсадров И.Н., Мироевский П.В., Трутнеф Н.С. Исследование процессов наноструктурирования в мелкозернистых бетонах с добавкой наночастиц диоксида кремния. – нанотехнологии в строительстве: Научный интернет журнал, 2009 – С.8-14.
4. Сас В.Н., Панов И.В., Машаров М.Т., Пономарев В.А. Проблемы при цементировании скважин и современные химические решения для их предупреждения. – Бурение и нефть, 2015. – С.33-34.
5. Гноевой А.В., Климов Д.М., Чесноков В.М. Основы теории течений бингамовских сред. – М: Физматлит, 2004. - 272 с
6. Булатов А.И. Системный анализ исследований течения вязко-пластичных жидкостей - глинистых и цементных растворов (ч. 1) // Бурение и нефть. 2016. №3. С. 18-23.
7. Кузьмина В.П. Нанодиоксид кремния применения в строительстве // нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал нанотехнологии – 2011. С. 69-109.