CC BY
0
Постепенный рост числа патентов с 1990 года свидетельствует о постоянной активности в исследованиях и разработках в данной области. Таким образом, дальнейшие исследования в этой сфере могут быть направлены на освоение новых технологий для обеспечения надежного цементирования в условиях многолетней мерзлоты.
Россия является важным участником на мировом рынке противоморозных добавок для цементных смесей. Признание российских исследователей и инженеров подтверждается значительным числом отечественных патентов и их третьим местом в рейтинге по количеству патентов. Устойчивый рост интереса к этой области и активная научно-техническая деятельность свидетельствуют о том, что Россия не только следит за инновациями, но и является их двигателем, что делает страну важным игроком на мировой арене инноваций в строительной отрасли.
Список использованной литературы:
1 Совершенствование систем разработки, добычи и подготовки газа на месторождениях Крайнего Севера / О.М. Ермилов, Л.С. Чугунов, В.В. Ремизов и др. - М.: Наука, 1996.-С.5.
2 Быков И.Ю., Бобылёва Т.В. Термозащитное оборудование при строительстве и эксплуатации скважин в мерзлых породах. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2005.-199 с.
3 Соотношение современных и максимальных палеотемператур в осадочном чехле Западно-Сибирской плиты / И.И. Нестеров, А.Р. Курчиков, Б.П. Ставицкий // Известия АН СССР. Серия Геология. - 1982. - № 12.
4 Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах - М.: Недра, 1987. - 229 с.
5 РД 39 009- 90 Регламент технологии строительства скважин в условиях многолетнемерзлых пород с контролем качества в процессе бурения и крепления. - М.: МНТП, ВНИИБТ, 1990. - 28 с.
© Литвинов К.А., 2024
УДК 637.254
Литвинов К.А.
студент второго курса магистратуры ТИУ
г. Тюмень, РФ
Научный руководитель: Овчинников В. П.
профессор, д.т.н., зав. кафедрой НБ ТИУ
г. Тюмень, РФ
ПРИМЕНЕНИЕ ДОБАВОК ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ УПРУГО-ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Аннотация
В статье рассматривается применение различных добавок при цементировании скважин для улучшения упруго-прочностных характеристик цементного камня. Анализируются преимущества и недостатки использования минеральных, полимерных и композитных добавок. Особое внимание уделяется влиянию добавок на прочность на растяжение, модуль упругости и сопротивление циклическим нагрузкам цементного камня. Изучается взаимосвязь между составом добавок, их концентрацией и улучшением механических свойств цементного камня.
Ключевые слова
цементирование скважин, добавки к цементу, упруго-прочностные характеристики, прочность на растяжение, модуль упругости, сопротивление циклическим нагрузкам, минеральные добавки,
полимерные добавки, композитные добавки.
Litvinov K.A.
second year master's student TIU Tymen, Russia Scientific supervisor: Ovchinnikov V. P.
Professor, Doctor of Technical Sciences, Head. Department of NB TIU
Tymen, Russia
APPLICATION OF ADDITIVES WHEN CEMENTING WELLS TO IMPROVE ELASTIC STRENGTH CHARACTERISTICS
Annotation
The article examines the application of various additives in well cementing to improve the elastic-strength characteristics of cement sheath. The advantages and disadvantages of using mineral, polymer, and composite additives are analyzed. Particular attention is given to the influence of additives on tensile strength, modulus of elasticity, and resistance to cyclic loads of cement sheath. The relationship between the composition of additives, their concentration, and the improvement of mechanical properties of cement sheath is studied.
Keywords
well cementing, cement additives, elastic-strength characteristics, tensile strength, modulus of elasticity, resistance to cyclic loads, mineral additives, polymer additives, composite additives.
Актуальность:
Повышение упруго-прочностных характеристик цементного камня является актуальной задачей для обеспечения долговечности и безопасности скважин. Применение эффективных добавок позволяет улучшить механические свойства цементного камня, что особенно важно в сложных геологических условиях и при циклических нагрузках.
Цели и задачи:
- Изучить влияние различных добавок на упруго-прочностные характеристики цементного камня.
- Определить оптимальные концентрации и составы добавок для достижения наилучших механических свойств.
- Провести сравнительный анализ эффективности минеральных, полимерных и композитных добавок.
- Разработать рекомендации по применению добавок при цементировании скважин в различных геологических условиях.
Ожидаемый результат:
Применение эффективных добавок позволит значительно улучшить упруго-прочностные характеристики цементного камня, такие как прочность на растяжение, модуль упругости и сопротивление циклическим нагрузкам. Это обеспечит повышение долговечности и безопасности скважин, снизит риски аварий и простоев, связанных с разрушением цементного камня.
Основная часть.
Один из способов улучшения упруго-прочностных свойств цементного камня - добавление клея ПВА в тампонажный раствор при креплении скважин. В данной работе исследовали влияние клея ПВА, а также влияние его концентрации на механическую прочность и упругость цементного камня.
При температуре ниже +80 °С поливинилацетат (ПВА) представляет собой стекловидный материал; выше этой температуры он размягчается и приобретает эластичные свойства.
Последние сохраняются до 120-130 °С; выше 130 °С ПВА начинает разлагаться с выделением уксусной кислоты. Поливинилацетат немного набухает в воде, нерастворим в бензине, керосине, хорошо растворим в полярных органических жидкостях и ароматических углеводородах, обладает высокой адгезией к силикатным материалам. Малая гидролитическая устойчивость его в щелочной среде цементного раствора не дает возможности сохранять длительно новые свойства камня.
Процесс гидролиза резко ускоряется во влажной горячей среде. В процессе гидролиза ПВА постепенно превращается в поливиниловый спирт.
Рисунок 1 - Применение ПВА в составе цементного раствора
При степени превращения 60 % и выше поливиниловый спирт становится растворимым в воде и при перепаде гидростатического давления или в результате осмотических перетоков вымывается из цементного камня. Твердение композиций представляет собой комбинированный процесс гидратационного твердения цементного клинкера и высыхания дисперсии полимера.
На формирование структуры цементного камня с ПВА благоприятно влияет добавка хлористого кальция.
На рисунке 2 показан процесс сшивания поливинилового спирта с вяжущим, при этом образуется эластичная гелевая упругая структура.
Рисунок 2 - Процесс сшивания ПВС с вяжущим
При незначительном изменении концентрации модуль вязкости, упругости изменяются достаточно сильно, что говорит нам о том, что в промежутке 3.5-5% содержания ПВС существует такая точка, в которой раствор становится высоковязким гелем. Также об этом свидетельствует и резкое увеличение вязкости раствора. Таким образом, было показано, что при увеличении концентрации ПВС меняются вязкоупругие свойства раствора.
Таблица 1
Результаты проведенных экспериментов на гидравлическом прессе (через 14 суток)
Образец На изгиб На сжатие
Макс. нагрузка, кН Макс. напряжение, мПа Макс. нагрузка, кН Макс. напряжение, мПа
ПЦТ-11-50 с ВЦ=0,5 2,984 6,993 > 55,4* >23,1*
ПЦТ-11-50 +ПВА 1% с ВЦ=0,5 3,158 7,402 > 55,4* >23,1*
ПЦТ-11-50 +ПВА 3% с ВЦ=0,5 3,844 9,010 > 55,4* >23,1*
ПЦТ-11-50 +ПВА 5% с ВЦ=0,5 2,658 6,232 > 55,4* >23,1*
Таблица 2
Результаты проведенных экспериментов на ультразвуковой установке (через 14 суток)
Образец Модуль Юнга, ГПа Коэффициент Пуассона
ПЦТ-11-50 с ВЦ=0,5 с ВЦ=0,5 14,078 0,174
ПЦТ-11-50 +ПВА 1% с ВЦ=0,5 15,466 0,168
ПЦТ-11-50 +ПВА 3% с ВЦ=0,5 13,226 0,180
ПЦТ-11-50 +ПВА 5% с ВЦ=0,5 10,281 0,251
Проанализируем изменения упругопластических свойств образцов в зависимости от содержания добавки поливинилацетата (ПВА).
Установлено, что максимальное значение коэффициента Пуассона достигается при добавлении 1% ПВА, в то время как модуль Юнга при этой концентрации минимален.
Выявлено, что наиболее удовлетворительные результаты упругопластических свойств наблюдаются при концентрациях 1% и 3% ПВА. При этом после достижения образцами возраста 14 суток максимальный коэффициент Пуассона равен 0,25 при концентрации 5% ПВА.
При незначительном изменении концентрации ПВА модуль упругости варьируется достаточно сильно, что указывает на существование в интервале 3.5-5% содержания поливинилацетата точки, в которой раствор становится высоковязким гелем. Об этом также свидетельствует резкое увеличение вязкости раствора. Таким образом, показано, что с увеличением концентрации ПВА меняются вязкоупругие свойства раствора.
Установлено, что добавление клея ПВА улучшает свойства цементного камня. Это связано с высокой адгезией и коэффициентом сцепления поливинилацетата с поверхностью твердых материалов. Выявлено, что оптимальная концентрация составляет около 3% от массы сухого вещества. При более высокой концентрации механические свойства цементного камня не улучшаются. Список использованной литературы:
1. Совершенствование систем разработки, добычи и подготовки газа на месторождениях Крайнего Севера / О.М. Ермилов, Л.С. Чугунов, В.В. Ремизов и др. - М.: Наука, 1996 .-С.5.
2. Быков И.Ю., Бобылёва Т.В. Термозащитное оборудование при строительстве и эксплуатации скважин в мерзлых породах. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2005.-199 с.
3. Соотношение современных и максимальных палеотемператур в осадочном чехле Западно-Сибирской плиты / И.И. Нестеров, А.Р. Курчиков, Б.П. Ставицкий // Известия АН СССР. Серия Геология. - 1982. - № 12.
4. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах - М.: Недра, 1987. - 229 с.
5. РД 39 009- 90 Регламент технологии строительства скважин в условиях многолетнемерзлых пород с контролем качества в процессе бурения и крепления. - М.: МНТП, ВНИИБТ, 1990. - 28 с.
© Литвинов К.А., 2024
