Эффективные облегчённые кладочные и тампонажные растворы для суровых климатических условий (стр. 1 )

На правах рукописи

СЕМЕНОВ Вячеслав Сергеевич

ЭФФЕКТИВНЫЕ ОБЛЕГЧЁННЫЕ КЛАДОЧНЫЕ

И ТАМПОНАЖНЫЕ РАСТВОРЫ

ДЛЯ СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты Ведущая организация

– доктор технических наук, профессор – доктор технических наук, профессор – кандидат технических наук, с. н.с. – ГУП «НИИМосстрой»

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» г. Москва, Ярославское шоссе, ауд. 206 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «_____» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с развитием строительства в условиях сурового климата РФ и применением лёгких мелкоразмерных строительных материалов, а также с увеличением добычи нефти и газа в зоне распространения многолетних мёрзлых пород существует необходимость использования модифицированных облегчённых кладочных и тампонажных растворов. Современные арктические тампонажные цементы содержат в своём составе водорастворимый строительный гипс, не обеспечивающий водостойкость камня. Срок службы гипсоцементной изоляции нефтегазовой скважины составляет 3…5 лет. Облегчённые кладочные растворы («теплые» растворы) на традиционных облегчающих наполнителях имеют повышенную водопотребность, и, как следствие, низкую прочность. При отрицательной температуре такие растворы не обеспечивают набор минимально требуемой прочности.

Решением проблемы является применение облегчённых цементных кладочных и тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками. Это позволит создать условия для гидратации цемента, сократить сроки строительства, снизить энергоёмкость и трудоёмкость строительства, а также повысить эффективность эксплуатации зданий, нефтяных и газовых скважин.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ, программой «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса («У. М.Н. И.К.»)», Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (мероприятие 1.2.2.), Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы» (мероприятие 5.2).

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы явилась разработка эффективных облегчённых цементных кладочных и тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками для суровых климатических условий.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Обосновать возможность разработки облегчённых кладочных и тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами (ПСМС) и противоморозными добавками (ПМД) с требуемыми свойствами;

2. Исследовать действительные температурные условия формирования тампонажного камня в стволе нефтегазовой скважины;

3. Произвести расчёт количества противоморозных добавок в зависимости от состава раствора и температурных условий его применения;

4. Разработать составы облегчённых кладочных и тампонажных растворов с ПСМС и ПМД. Исследовать влияние вида и количества противоморозных добавок, а также температуры твердения на физико-механические свойства облегчённого цементного камня с микросферами;

5. Получить количественные зависимости основных физико-механических свойств облегчённого кладочного раствора с ПСМС и ПМД от расхода и вида противоморозной добавки, температуры твердения и оптимизировать составы;

6. Изучить структуру и новообразования разработанных облегчённых кладочных и тампонажных растворов с ПСМС и ПМД;

7. Разработать технологии приготовления и применения облегчённых кладочных и тампонажных растворов с ПСМС и ПМД, разработать нормативно-технологическую документацию;

8. Произвести опытное внедрение разработанных облегчённых кладочного и тампонажного растворов с ПСМС и ПМД, а также оценить технико-экономический эффект внедрения.

Научная новизна.

1. Обоснована возможность получения эффективного облегчённого тампонажного и кладочного растворов с ПСМС для суровых климатических условий за счёт введения оптимального количества противоморозных добавок для создания условий гидратации портландцемента и образования структуры цементной матрицы из низкоосновных гидросиликатов кальция, которые обеспечивают высокие эксплуатационные показатели растворов;

2. Определены зависимости оптимального расхода противоморозных добавок в составе кладочных и тампонажных растворов с ПСМС от температуры твердения при высоком водоцементном отношении;

3. Получены двухфакторные математические зависимости прочностных характеристик облегчённого кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами от расхода и вида противоморозной добавки, а также температуры и сроков твердения;

4. Получены зависимости свойств облегчённых тампонажных и кладочных растворов с ПСМС от их состава при различных температурах твердения;

5. Методами рентгенофазового, микроструктурного и химического анализов выявлены новообразования, изучена структура облегчённых кладочных и тампонажных растворов с ПСМС и ПМД. Доказано, что облегчённые кладочные и тампонажные растворы с ПСМС и ПМД имеют плотную структуру из низкоосновных гидросиликатов кальция и соответствующих новообразований, связанных с использованием противоморозной добавки.

Практическая значимость.

1. Разработана технология и нормативные документы получения облегчённого кладочного и тампонажного растворов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками;

2. Разработаны составы облегчённых кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами средней плотностью 1085 кг/м3, с прочностью при сжатии 19,8 МПа, при изгибе – 4,4 МПа. Средняя плотность камня в высушенном состоянии – 860 кг/м3. Прочность при сжатии наиболее оптимального состава с добавкой нитрита натрия составляет при температуре минус 5°С: 7 суток – 3,5 МПа, 14 суток – 5,5 МПа, 28 суток – 7,9 МПа; а при температуре минус 10°С: 7 суток – 2,5 МПа, 14 суток – 3,8 МПа, 28 суток – 5,6 МПа. Морозостойкость не менее 50 циклов, коэффициент теплопроводности – 0,1 Вт/(м×°С), коэффициент размягчения 0,86.

3. Разработаны составы облегчённых тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами средней плотностью 1080 кг/м3, с прочностью в возрасте 2 суток при сжатии 6,7 МПа, при изгибе – 2,2 МПа. Средняя плотность тампонажного камня в высушенном состоянии – 855 кг/м3. Прочность тампонажного раствора с добавкой поташа и замедлителем схватывания в возрасте 2 суток, сформированного при температуре минус 5°С, при изгибе – 1,2 МПа, при сжатии – 3,0 МПа.

4. Разработана методика испытания тампонажных материалов для арктических скважин, учитывающая действительные температурные условия формирования тампонажного камня в стволе нефтегазовой скважины. Методика предполагает испытание тампонажного раствора не при постоянной отрицательной температуре, как рекомендуют отраслевые руководящие документы, а при её снижении в период ОЗЦ с 20°С до 3°С. Доказано, что такие температурные условия наиболее точно имитируют условия в скважине.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ – 2010 (Москва, ВВЦ, 2010 г.); IV Фестивале науки в г. Москве (Москва, МГУ, 2009 г.); 12-й, 13-й, 14-й Международных межвузовских научно-практических конференциях молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2009, 2010, 2011 гг.); II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, ВВЦ, 2010 г); XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, НИУ ТПУ, 2010 г.); V Международной конференции «Надёжность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, ВолГАСУ, 2009 г.); VIII Международной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Здания и сооружения с применением новых материалов и технологий» (г. Макеевка, ДонНАСА, 2009 г.); Научных чтениях, посвящённых памяти и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы» МГСУ (Москва, МГСУ, 2009).

Работа удостоена Диплома X-ой Всероссийской выставки научно-технического творчества молодёжи НТТМ – 2010 и Медали «За успехи в научно-техническом творчестве» II-ой Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях»; Почётной грамотой победителя программы «У. М.Н. И.К.»; Почётной грамотой победителя конкурса «Лучший инновационный проект» в рамках IV Фестиваля науки в г. Москве.

Внедрение результатов исследований.

На основании исследований были разработаны и введены в действие нормативные документы:

1. Технологический регламент на приготовление и применение облегчённого кладочного раствора для зимних работ, Ижевск, 2011 г.;

2. Технические условия ТУ 11 «Облегчённый кладочный раствор для зимних работ», Ижевск, 2011 г.;

3. Постоянный технологический регламент на приготовление и применение облегчённого тампонажного раствора для условий ММП №1, Томск, 2011 г.;

4. ТУ «Облегчённый тампонажный раствор для арктических скважин», Томск, 2011 г.

Разработанный облегчённый кладочный раствор с ПСМС и ПМД был использован при строительстве жилого дома коттеджного типа для кладки перегородок из пенобетонных блоков в весенне-зимний период в Республике Удмуртия по адресу: Завьяловский район, п. Ягул, ул. Молодёжная, д. 18. Объем внедрения составил 642 м2. Экономический эффект от внедрения составил более 85 тыс. рублей.

Разработанный облегчённый тампонажный раствор с ПСМС и противоморозными добавками был использован при цементировании кондуктора нефтяной скважины № 000/7 Нижневартовского нефтяного месторождения. Объём внедрения составил 42,5 м3. Экономический эффект от внедрения облегчённого тампонажного раствора с полыми стеклянными микросферами, суперпластификатором и противоморозной добавкой составил свыше 230 тысяч рублей.

На защиту выносятся:

1. Обоснование возможности получения эффективных облегчённых тампонажных и кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками с требуемыми свойствами для суровых климатических условий;

2. Зависимости оптимального расхода противоморозных добавок в составе кладочных и тампонажных растворов с ПСМС от водоцементного отношения раствора и температуры твердения;

3. Зависимости свойств облегчённых тампонажных и кладочных растворов от их состава при различных температурах и сроках твердения;

4. Двухфакторные математические зависимости прочностных характеристик облегчённого кладочного раствора с полыми стеклянными микросферами от расхода и вида противоморозной добавки, а также температуры и сроков твердения;

5. Результаты рентгенофазового, микроструктурного и химического анализов облегчённых кладочных и тампонажных растворов различных составов с полыми стеклянными микросферами и противоморозными добавками;

6. Методика испытания тампонажных материалов для арктических скважин, учитывающая действительные температурные условия формирования тампонажного камня в стволе нефтегазовой скважины.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 177 наименований, и 6 приложений. Работа изложена на 182 страницах текста, иллюстрирована 29 рисунками, имеет 54 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К настоящему времени полые микросферы, в том числе, стеклянные, нашли применение в строительстве в различных теплоизоляционных составах и цементных растворах, в особенности, в тампонажных. В научно-технической литературе заложены научные основы получения эффективных облегчённых тампонажных, кладочных и штукатурных растворов с микросферами, сформированных в стандартных условиях. Изучение научно-технической литературы позволило установить, что до настоящего времени не изучались структура и свойства облегчённых цементных растворов с полыми стеклянными микросферами, сформированных при низких положительных и малых отрицательных температурах (т. е. при температурах –10…+5°С). Данные температуры соответствуют климатическим условиям РФ ранней весны, поздней осени и частично зимы при кладочных работах, а также условиям многолетних мёрзлых пород при цементировании нефтяных и газовых скважин. Для обеспечения гидратации цемента в таких условиях необходимо проведение дополнительных технологических мероприятий. Был проведён анализ существующих способов цементирования нефтегазовых скважин в условиях ММП, а также способов производства кладочных работ в зимних условиях. Установлено, что наиболее экономичным и простым в технологическом плане способом обеспечения условий для гидратации портландцемента является введение в состав растворов противоморозных добавок. Проведен обзор традиционных и современных противоморозных добавок, обобщен опыт их применения, выявлены области и границы их использования в цементных системах. Установлено, что современные противоморозные добавки являются полифункциональными и в качестве противоморозных компонентов по большей части содержат традиционные противоморозные добавки. Весьма эффективными добавками в кладочные растворы являются поташ, нитрит и формиат натрия. Для тампонажных растворов в основном применяются хлориды кальция и натрия. Однако, поташ следует применять совместно с замедлителями схватывания. Более того, известно, что качественный цементный камень можно изготовить только при условиях, обеспечивающих гидратацию цемента для формирования плотной однородной структуры цементного раствора с ПСМС. Объективные данные по этому вопросу нельзя получить без изучения структуры и свойств цементного раствора с ПСМС и противоморозными добавками, сформированного при указанных температурах.

На основании изучения научно-технических предпосылок была предложена научная гипотеза. Поскольку кладочные и тампонажные растворы с ПСМС имеют высокое водоцементное отношение, то было предположено, что введение в раствор оптимального количества противоморозных добавок позволит проводить кладочные работы и цементирование нефтегазовых скважин при низких положительных и малых отрицательных температурах с получением требуемой прочности во времени.

В работе использовалось современное исследовательское оборудование: универсальная сервогидравлическая испытательная машина Advantest 9; электронный растровый микроскоп-микроанализатор Quanta 200 (Швейцария) с системой микроанализа Apollo 40 (Fillips, Нидерланды); рентгеновский дифрактометр XRD–7000 (Shimadzu, Япония) и др. Прочность растворов определялась на образцах-призмах 4х4х16 см. В исследованиях для кладочных растворов в качестве вяжущего применялся портландцемент ПЦ 500–Д0 Старооскольского цементного завода с удельной поверхностью – 3200 см2/г и нормальной густотой цементного теста – 25 %. Для тампонажного раствора использовался тампонажный портландцемент ПЦТ–I–50 бездобавочный, для низких и нормальных температур, производства Сухоложского цементного завода с удельной поверхностью – 3340 см2/г, растекаемостью – 25 см, с прочностью при изгибе через 1 сутки – 8,7 МПа, при сжатии – 34,8 МПа. В качестве наполнителя в работе используются полые стеклянные микросферы 3M™ Glass Bubbles, тип К25 (Бельгия). Полые стеклянные микросферы представляют собой белый сыпучий порошок, состоящий из тонкостенных шариков диаметром 5…60 мкм и толщиной стенки 1…3 мкм. Микросферы обладают низкой средней плотностью, имеют сферическую форму, производятся из натрийборосиликатного стекла. Средняя плотность оболочки микросферы – 2420 кг/м3, коэффициент теплопроводности – 0,05…0,07 Вт/(м×°С) при 20 °С, температура размягчения свыше 600 °С. Истинная плотность – 250 кг/м3, насыпная плотность – 110 кг/м3, средний размер – 25…28 мкм, прочность при объёмом сжатии – 5,2 МПа (10 % разрушение).

Исследуемые растворы имели одинаковую подвижность: тампонажные – растекаемость 18…22 см; кладочные растворы – погружение конуса ПК = 8…10 см. Исследовались составы растворов с 15 % ПСМС от массы портландцемента, с суперпластификатором (СП) С-3. Для кладочных растворов определялись средняя плотность, водоудерживающая способность (более 92 %). Сроки схватывания были достаточными. Свойства кладочного раствора без ПМД приведены в таблице 1.

Таблица 1 –Свойства облегчённых кладочных растворов с ПСМС, твердевших при (20±2)°С

Состав, масс. %	Средняя плотность, кг/м3	Прочность, МПа	Влажность, % *	Водопоглощение, % *
раствора	камня	камня в сухом состоянии	изгиб	сжатие
100ПЦ + 15ПСМС + 73В	1114	928	841	3,1	10,1	10,3	23,3
100ПЦ + 15ПСМС + 56В+ + 0,75(С-3)	1085	978	863	4,4	19,8	13,3	19,6

*- влажность и водопоглощение камня по массе, %

Так, при одинаковой средней плотности растворов, при снижении В/Ц за счёт ввода СП прочность при сжатии увеличивается почти в 2 раза.

В работе были приняты за основу рекомендуемые в классической литературе расходы противоморозных добавок для бетона с В/Ц=0,45 (по ), рассчитана концентрация электролитов в растворах затворения, а затем скорректирован расход добавки (в % от массы цемента) при увеличении В/Ц с сохранением исходной концентрации. При больших значениях В/Ц (0,7…1,2) в цементную систему необходимо вводить значительно большее количество ПМД, чем при В/Ц=0,45…0,55. Концентрация электролитов при их минимальном количестве должна обеспечивать незамерзание жидкости для гидратации портландцемента. В качестве ПМД использовались: хлориды натрия и кальция, поташ, нитрит, нитрат и формиат натрия. Был произведён расчёт расхода противоморозных добавок в зависимости от В/Ц при сохранении общепринятой концентрации (таблица 2).