Ученые Иркутского технического университета заняты развитием новой технологии. На основе техногенных отходов Приангарья они создают тампонажный расширяющийся цемент. Для получения нового материала политеховцы добавляют в портландцемент промышленные отходы в виде карбидного ила (ООО «Усольехимпром») и фторгипса (ОАО «Ангарский электролизный химический комбинат»). Данная технология подразумевает мобильные способы производства материала в условиях добычи нефти и газа.
Как поясняют авторы проекта доцент кафедры автомобильных дорог Евгений Левченко и аспирант вуза Василий Воробчук, этот вид цемента используется для защиты устья и стенок скважины от механических повреждений и обвалов в процессе бурения и последующей эксплуатации. Тампонажный цемент «изолирует» продуктивные нефтегазовые слои от водоносных слоев при наличии многопластовой залежи нефти. Часто именно от качества цементирования зависит эффективность эксплуатации скважины. Важнейшей характеристикой тампонажного цемента является прочность затвердевшего раствора.
«Прочность раствора на основе такого цемента в ранние сроки твердения должна обеспечить закрепление обсадной колонны в стволе скважины, а также необходимую устойчивость при разбуривании и перфорации, эффективную изоляцию от проницаемых пород. При этом существенно сокращается область распространения давления при разрыве пласта. Цементный камень должен быть стойким к химической коррозии. Растворы на этих цементах должны обладать повышенной текучестью, обеспечивать низкое водоотделение, – отмечает Е. Левченко.– Так как работы по добыче нефти и газа ведутся круглогодично в полевых условиях, необходимо закупать цемент, который может долго сохранять свои свойства. Для бурильных работ, сохранения скважин и их функционального назначения лучше всего подходят расширяющиеся цементы. Однако их нет в Байкальском регионе. Допустимыми свойствами обладает напрягающий цемент, который в России производят на базе дефицитного сырья – бокситов. Он достаточно дорогой, и при хранении в течение одного месяца теряет до 30% своих свойств».
Иркутские ученые поставили перед собой задачу изучить возможности качественного и недорого цемента на основе местной сырьевой базы. Разработчики убеждены, что оптимальным вариантом является использование техногенных отходов химической промышленности Приангарья. В определенной комбинации эти отходы могут давать расширяющийся компонент.
По словам Е. Левченко, исследования свойств портландцемента проводились на основе клинкера, производимого Ангарским заводом ОАО «Ангарскцемент». На начальном этапе было установлено, что применение активных минеральных добавок, в данном случае горелых пород Черемховских террикоников, значительно понижает водоотделение цемента. Однако введение минеральных добавок снижает скорость твердения цемента, а также приводит к усадочным явлениям. В результате многочисленных опытов ученые пришли к выводу, что избежать дефектов позволит портландцемент с использованием активной окиси магния или окиси кальция.
«Мягко обожженная известь (окись кальция) положительно влияет на процессы гидратации и твердения портландцемента. Одновременно гидросульфоалюминат кальция оказывает влияние на скорость формирования самого камня из тампонажного цемента, – поясняет Е. Левченко. – В связи с этим для получения композиционного цемента мы использовали активную известь и гипс. Чтобы исключить быструю гидротацию извести, она вводилась не в чистом виде, а виде спека, полученного путем обжига карбидного ила с гипсосодержащим компонентом – фторгипсом. Мы использовали карбидный ил из отходов ООО «Усольехимпром». Ил представляет собой гидроокись кальция активностью менее 50% с примесью карбоната кальция 9–12%. Фторгипс – это отходы Ангарского электролизного завода в виде твердых осадков шламовых полей. В твердых осадках находится 20–25% двуводного гипса и 60–70% дисперсного ангидрида (безводная соль)».
Е. Левченко подчеркивает, что присутствие в цементе продуктов обжига карбидного ила ускоряет процесс схватывания цементного теста и, соответственно, ускоряет процесс твердения. Введение 15–20% гипсо-известкового спека улучшает физико-механические характеристики образцов. Прочность образцов из цементного раствора значительно увеличивается уже в первые сутки твердения. При этом наблюдается значительное расширение образцов.
«Следуя нашей технологии, геологи, бурильщики и добытчики смогут закупать клинкер (полуфабрикат) и с помощью добавки из отходов на месте готовить цемент. Таким образом, мы исключаем потери качества, а сам материал становится значительно дешевле», – Е. Левченко.
Данный способ изготовления по сравнению с традиционным является более экономичным. Помимо этого, технология способствует утилизации отходов. В дальнейшем проект можно корректировать, в частности, изменяя сырьевую базу. Например, карбидный ил вполне заменим некондиционным доломитом.
Ирина Афанасьева
