Разработка тампонажных растворов с добавками частиц наноглины для строительства нефтяных скважин в условиях повышенных температур

Abstract

Актуальность. Снижение прочности - явление, которое становится более выраженным при температуре выше 110 °С, характеризуется значительными химическими и микроструктурными изменениями портландцемента в условиях высоких температур. Добавление частиц кремнезема (SiO2) в цемент может значительно увеличить его устойчивость к снижению прочности, когда температура превышает 110 °С. Частицы наноглины в настоящее время используются в цементной промышленности для повышения прочности цементной матрицы благодаря своей способности заполнять капиллярные микропоры и сравнительно небольшому размеру. Цель: исследование влияния добавления наночастиц (наноглины) в цемент Саудовского класса G на прочность на сжатие и растяжение, а также проницаемость цементного камня в условиях высоких (300 °С) температур. Объекты: шесть образцов цементных растворов с различными концентрациями наноглины, цементные камни, испытанные через 7 и 28 суток твердения при температуре 25 и 300 °С. Методы. Оценка химического состава цемента проводилась рентгенофлуоресцентным методом на анализаторе WORKSTN-V Olympus Vanta. Оценка физического состава цемента осуществлялась методом дифракции лучей на лазерном анализаторе размеров частиц Mastersizer 2000. Испытание образцов тампонажного камня выполнялось в соответствии с ISO 10426-2:2003 на гидравлическом прессе 65-L1132. Испытание прочности образцов на растяжение по бразильскому методу проводилось в соответствии со стандартом ASTM D 3967-08 на гидравлическом прессе 65-L1132. Проницаемость образцов определялась при однофазной стационарной фильтрации на установке для исследования фильтрационно-емкостных свойств керна ПИК-ОФП-УЧ в соответствии с ISO 10426-2:2003. Результаты. Полученные данные показали, что разрушения цемента при экстремально высоких температурах можно избежать за счет использования наноглины (до 3 % от массы цемента). Микроструктура цементной матрицы существенно пострадала из-за агрегации наночастиц при добавлении более 3 % наноглины. Все реологические характеристики цементного раствора были улучшены за счет добавления частиц наноглины.

Relevance. Strength decrease is a phenomenon that becomes more pronounced as the temperature rises above 110°C. It is characterized by significant chemical and microstructural changes that Portland cement undergoes at high temperatures. Adding silica particles (SiO2) to cement can significantly increase cement resistance to strength reduction when the temperature exceeds 110°C. Nanoclays are currently used in the cement industry to increase the strength of the cement matrix due to their ability to fill capillary micropores and due to their relatively small particle size. Aim. To investigate the effect of adding nanoparticles (nanoclay) to Saudi grade G cement on compressive and tensile strength, and cement stone permeability under high temperature conditions (300°С). Objects. Six samples of cement mortars with different concentrations of nanoclay, cement stones, tested after 7 and 28 days of hardening at 25 and 300°C. Methods. Cement chemical composition was evaluated by the X-ray fluorescence method with the WORKSTN-V Olympus Vanta X-ray fluorescence analyzer. Cement physical composition was evaluated by the method of ray diffraction on the Mastersizer 2000 laser particle size analyzer. The test of the grouting stone samples was carried out in accordance with ISO 10426-2:2003 on a hydraulic press 65-L1132. The tensile strength of the samples by the Brazilian method was tested in accordance with ASTM D 3967-08 standard on a hydraulic press 65-L1132. The permeability of the samples was determined by single-phase stationary filtration at a facility for studying the filtration and capacitance properties of the PIK-OFP-UCH core in accordance with ISO 10426-2:2003. Results. The data obtained showed that cement destruction at extremely high temperatures can be avoided by using nanoclay (up to 3% by weight of cement). The microstructure of the cement matrix was significantly affected due to the aggregation of nanoparticles when more than 3% of nanoclay was added. All rheological characteristics of the cement slurry were improved by the addition of nanoclay particles