У вступі обґрунтовано актуальність дисертації,сформульовано мету роботи, визначено напрям роботи та задачі досліджень, зазначено основні положення, що отримані автором і мають наукову новизну та практичну цінність.
У першому розділі проведено аналітичний огляд стану проблеми на підставі аналізу літературних даних, присвячених розробленню та використанню тампонажних цементуючих систем, а також дослідженню сухих будівельних сумішей, модифікованих органо-мінеральними добавками різної функціональної дії.
Виконання робіт з цементування нафтогазових свердловин складає приблизно 3 % всіх витрат на їх спорудження, проте, саме якість цементування, яка насамперед залежить від ефективності використаних тампонажних матеріалів, визначає довговічність свердловин як інженерної споруди. Аналіз досліджень в даній галузі свідчить про те, що асортимент базових і спеціальних тампонажних портландцементів (ПЦТ) і сумішей, які випускаються вітчизняними підприємствами, є недостатнім для якісного цементування свердловин у складних гірничо-геологічних умовах. При використанні традиційних тампонажних цементів неможливо забезпечити необхідну експлуатаційну надійність кріплення через незадовільні структурно-реологічні та фізико-механічні властивості даних систем. Тому вдосконалення методів виробництва та розроблення якісно нових тампонажних матеріалів з покращеними властивостями є актуальним і сприяє вирішенню основних завдань паливно-енергетичного комплексу України.
Головною метою тампонування свердловин є створення міцного флюїдонепроникного екрану у заколонному просторі. Тиск у свердловині приблизно дорівнює гідростатичному і визначається глибиною залягання насиченого рідиною та газом пласту. При розробленні свердловин, які складені високопористими нестійкими гірськими породами, відбувається аномальне зниження пластового тиску нафтогазонасичених покладів в 1,1-1,5 рази до значень коефіцієнта аномальності нижче 0,9. Тому для створення відповідного протитиску на пласт під час тампонування свердловин з АНПТ необхідно застосовувати матеріали з низькою густиною, які отримують шляхом збільшення водопотреби та введення до складу тампонажних цементів мінеральних добавок. Використання як мінеральних добавок відходів виробництв і природних матеріалів необхідного гранулометричного складу забезпечує отримання заданої густини тампонажної розчинової суміші. Однак практичний досвід застосування традиційних полегшених ПЦТ свідчить, що додавання лише мінеральних добавок до складу сумішей не забезпечує виконання вимог, що ставляться до тампонажних матеріалів. Головним недоліком таких систем є високі водовідділення і водовіддача, низькі міцність і корозійна стійкість, що є наслідком великого водовмісту, незадовільної седиментаційної стійкості та розшаруванням матеріалу по висоті свердловини. Як наслідок, відбувається формування неоднорідного за фізико-механічними властивостями ізоляційного екрану з наступним швидким руйнуванням цементного каменю під впливом різноманітних фізико-хімічних чинників, каталізованих підвищеними термобаричними умовами.
Найефективнішим напрямком для практичної реалізації одержання сучасних полегшених тампонажних матеріалів є технологія СБСМ, яка забезпечує точність дозування та повну гомогенізацію матеріалу. Тампонажні суміші, що виготовляються за технологією сухого змішування, проходять повний лабораторний контроль з визначенням якісних показників і не потребують додавання на буровій інших компонентів окрім води, що виключає можливість недотримання рецептури і забезпечує досягнення запроектованих технологічних та фізико-механічних характеристик тампонажного матеріалу.
Аналіз даних у області тампонажних цементних систем, а також СБСМ з заданими властивостями (Булатов А.І., Горський В.Ф., Гоц В.І., Данюшевський В.С., Дворкін Л.Й., Дерев’янко В.М., Карапузов Є.К., Коцкулич Я.С., Кочкодан Я.М., Кривенко П.В., Кузнєцова Т.В., Пащенко О.О., Пушкарьова К.К., Рунова Р.Ф., Саницький М.А., Ушеров-Маршак О.В., Тейлор Х., Штарк Й. та ін.) дозволяє висунути гіпотезу про доцільність одержання тампонажних матеріалів за технологією СБСМ шляхом модифікування мінеральними та хімічними добавками пластифікуюче-стабілізуючої дії, антиспінювачами, сповільнювачами тужавіння, а також армуючими та розширними компонентами шляхом раціонального проектування високофункціональних тампонажних розчинів, які характеризуються седиментаційною стійкістю, мінімальними водовідділенням та водовіддачею за необхідної розтічності, високою ранньою міцністю на розтяг при вигині, корозійною стійкістю, в тому числі за нормальних та підвищених температурних умов.
У заключній частині огляду літератури сформульовано мету дисертаційної роботи, визначені завдання, які необхідно вирішити в ході її виконання.
У другому розділі наведено характеристики вихідних матеріалів, описані основні методики досліджень, які були використані в роботі.
При проведенні експериментальних досліджень використано портландцементи загальнобудівельного призначення ПЦ І-500-Н ПАТ “Волиньцемент”, ПАТ “Миколаївцемент”, ПАТ “Івано-Франківськцемент”. Для одержання полегшених тампонажних цементів використано мінеральні добавки пуцоланічного типу – золу-винесення Бурштинської ТЕС, цеоліт Сокирницького родовища, шамотний пил Ватутинського комбінату вогнетривів, метакаолін та мікросферу. Для модифікації полегшених СТС використано стабілізатори на основі ефірів целюлози (Walocel) та полікарбоксилатів (Starvis), суперпластифікатори на основі полікарбоксилатів (Melflux) та сульфомеламінформальдегідів (Melment), антиспінювач (Delfoam), функціональні поліпропіленові волокна (ФПВ), сповільнювач тужавіння нітрилотриметилфосфонову кислоту (НТФК). Як розширну добавку застосовували низькореакційне негашене вапно виробництва компанії Lhoist.
Дослідження фракційного складу і тонини розмелювання портландцементів та мінеральних добавок проводили ситовим аналізом і визначенням питомої поверхні на поверхнемірі Блейна, розподіл частинок за розмірами – за допомогою лазерного аналізатора зернистості LAU-14.
Дослідження властивостей портландцементів загальнобудівельного призначення, тампонажних цементів та сухих тампонажних сумішей проводили згідно з ДСТУ Б В.2.7-88-99, ДСТУ Б В.2.7-185:2009, ДСТУ Б В.2.7-187:2009, ДСТУ Б В.2.7-187:2009, ТУ У В.2.7-26.6-32312060-003:2005. Показники якості тампонажних розчинів досліджували згідно з діючими стандартами та загальноприйнятими методиками.
Фізико-хімічні дослідження проводили з використання рентгенофазового, диференціально-термічного методів аналізу та електронної мікроскопії. Оптимізацію складів полегшених тампонажних цементів здійснювали за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання з використанням дисоціативно-крокового методу оптимізації.
У третьому розділі наведено результати досліджень впливу мінеральних добавок різного походження на властивості полегшених тампонажних цементів, проведено оптимізацію їх складу та оцінено роль процесів взаємодії мінеральних добавок в складі модельних в’яжучих систем.
Властивості полегшених тампонажних матеріалів залежать від характеристик базового тампонажного цементу, який відповідає за технологічність тампонажної суміші та визначає напрям формування структури цементного каменю. Проведені дослідження показали ефективність використання для одержання полегшених тампонажних матеріалів портландцементу ПЦ І-500-Н ПАТ “Волиньцемент” з водовідділенням 8,5 мл та ранньою міцністю розчину на розтяг при вигині 8,4 МПа. На його основі розроблені полегшені тампонажні цементи із загальним вмістом полегшуючих добавок у кількості 30 мас.%, які відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-88-99 (табл. 1). Найефективнішою полегшуючою добавкою є мікросфера, при введенні якої у кількості 20 мас.% густина розчинової суміші складає 1,42 г/см3 (В/Т=0,57). Однак стінки частинок мікросфери не витримують тиску більше 20 МПа, що суттєво обмежує глибину використання даних складів. Використання золи, як компонента полегшених тампонажних цементів, є недоцільним, оскільки суміш на її основі характеризується високим водовідділенням, а затверділий тампонажний камінь – низькою міцністю. Оптимальним є введення до складу полегшеного ПЦТ добавок цеоліту та метакаоліну у кількості 20 та 10 мас.% відповідно. Завдяки раціональному гранулометричному розподілу частинок в’яжучого та мінеральних добавок у просторовому каркасі тампонажного розчину цей склад показав достатню
