Wpływ nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT

• Autorzy: Kędzierski Miłosz , Rzepka Marcin , Kremieniewski Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.02.05

Warianty tytułu

EN

Influence of carbon nanotubes (CNTs) on the mechanical parameters of cement stones under HPHT conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT. W badaniach zastosowano wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs) o średnicy zewnętrznej 10–20 nm i długości 10–30 µm. Do zaczynów dodawano 0,1% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane zostały w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego. Badania przeprowadzono w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury w zakresie temperatur 60–130C i zakresie ciśnień 25–80 MPa. W przypadku temperatury 60C jako spoiwo wiążące zastosowano cement portlandzki CEM I 42,5R oraz cement wiertniczy G. Zaczyny dla temperatur od 80C do 130C sporządzono na osnowie cementu wiertniczego G. Przy opracowywaniu receptur kierowano się wymaganiami, jakie powinien spełniać zaczyn cementowy użyty do cementowania rur okładzinowych w warunkach występowania bardzo wysokich temperatur oraz ciśnień złożowych. Zaczyny po- siadały gęstość od około 1840 kg/m3 (zaczyny dla temperatury 60C) do około 2250 kg/m3 (zaczyny z dodatkiem hematytu). Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, osiągające nawet do 44 MPa. Uzyskano również wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur, dochodzące do około 8 MPa po 28 dniach hydratacji, oraz wytrzymałości na zginanie, wynoszące około 11 MPa. Przeprowadzone badania ujawniają pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość kamieni cementowych z ich dodatkiem. Zmodyfikowane w ten sposób kamienie charakteryzują się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Konieczne są jednak dalsze badania w kierunku określenia wpływu nanorurek węglowych na mikrostrukturę stwardniałych zaczynów cementowych. Niezbędne jest również kontynuowanie badań nad określeniem optymalnych ilości tych środków oraz doborem najbardziej kompatybilnych dodatków do zaczynów cementowych działających w sposób optymalny w połączeniu z nanocząsteczkami.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical parameters of cement stones under HPHT conditions. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with an external diameter of 10–20 nm and a length of 10–30 μm were used for testing. 0.1% of carbon nanotubes was added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out under conditions of increased pressure and temperature in the temperature range of 60–130C and the pressure range of 25–80 MPa. CEM I 42.5R Portland cement and Class G drilling cement were used to make the slurries at temperature of 60o C. Cement slurries for temperatures from 80o C to 130o C were prepared on the basis of class G drilling cement. The recipes were developed on the basis of the requirements to be met by cement slurry for the cementing of casing under conditions of very high temperatures and reservoir pressures. The densities of tested slurries ranged from 1,840 kg/m3 (slurries at a temperature of 60C) to 2.250 kg/m3 (slurries with the addition of hematite).Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, which after curing (after 28 days of hydration) showed very high values of compressive strength, reaching up to 44 MPa. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes reaching up 8 MPa after 28 days and flexural strength of about 11 MPa. The test results show that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength of cement stones with their addition. The stones modified in this way are characterized by high compressive strength and high adhesion to steel pipes. Further research is needed to determine the influence of carbon nanotubes on the microstructure of hardened cement slurries. It is also necessary to conduct further research on the determination of the optimal amounts of these agents and the selection of the most compatible additives for cement slurries that work optimally in combination with nanoparticles.

Słowa kluczowe

PL

nanorurki węglowe; CNTs; kamień cementowy; wytrzymałość na ściskanie; zaczyn cementowy

EN

carbon nanotube; CNTs; cement stone; compressive strength; cement slurry

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 2
• Strony: 106--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz.

Twórcy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kremieniewski Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Saud T.S., Bin Hussain M.A.A., Batyanovskii E.I., Zhdanok S.A., Krauklis A.V., Samtsou P.P., 2011. Influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 84(3): 546–553. DOI: 10.1007/s10891-011-0503-y.
• Campillo I., Dolado J.S., Porro A., 2004. High-performance nanostructured materials for construction. W: Bartos P.J.M. (ed.). Proceedings of 1st International Symposium on Nanotechnology in Construction. Cambridge, England.
• Chaipanich A., Nochaiya T., Wongkeo W., Torkittikul P., 2010. Compressive strength and microstructure of carbon nanotubes – fly ash cement composites. Materials Science and Engineering, 527(4–5): 1063–1067. DOI: 10.1016/j.msea.2009.09.039.
• Collins F., Lambert J., Duan W.H., 2012. The influence of admixtures on the dispersion, workability, and strength of carbon nanotube-OPC paste mixtures. Cement and Concrete Composites, 34(2): 201–207. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.013.
• Cwirzen A., Habermehl-Cwirzen K., Nasibulin A.G., Kaupinen E.I., Mudimela P.R., Penttala V., 2009. SEM/AFM studies of cementitious binder modified by MWCNT and nano-sized Fe needles. Materials Characterization, 60(7): 735–740. DOI:10.1016/j.matchar.2008.11.001.
• De La Roij R., Egyed C., Lips J.P., 2012. Nano-Engineered Oil Well Cement Improves Flexibility And Increases Compressive Strength: A Laboratory Study. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/156501-MS.
• De Paula J.N., Calixto J.M., Ladeira L.O., Ludvig P., Souza T.C.C., 2018. Tensile Strength of Oil-Well Cement Pastes Produced with Carbon Nanotubes Directly Synthesized on Clinker. The International Journal of Engineering and Science, 7(7): 57–62. DOI: 10.9790/1813-0707015762 .
• De Paula J.N., Calixto J.M., Ladeira L.O., Ludvig P., Souza T.C.C., Rocha J.M., Vargas de Melo A.A., 2014. Mechanical and rheological behavior of oil-well cement slurries produced with clinker containing carbon nanotubes. Journal of Petroleum Science and Engineering,122: 274–279. DOI: 10.1016/j.petrol.2014.07.020.
• Dębińska E., 2014. Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 4: 229–235.
• Dębińska E., 2015. Niekonwencjonalne zaczyny cementowe z dodatkiem nanokrzemionki. Nafta-Gaz, 5: 290–300.
• Dębińska E., 2016. Wpływ nanotlenków glinu i cynku na parametry świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Nafta-Gaz, 4: 251– 261. DOI: 10.18668/NG.2016.04.04.
• Dębińska E., Rzepka M., Kremieniewski M., 2016. Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 12: 1084–1091. DOI: 10.18668/NG.2016.12.11.
• Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C., 1996. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications. Academic Press, San Diego, California.
• El-Gamal S.M.A., Hashem F.S., Amin M.S., 2017. Influence of carbon nanotubes, nanosilica and nanometakaolin on some morphologicalmechanical properties of oil well cement pastes subjected to elevated water curing temperature and regular room air curing temperature. Construction and Building Materials, 146: 531–546. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.04.124.
• Ershadi V., Ebadi T., 2011. The Effect of Nanosilica on Cement Matrix Permeability in Oil Well to Decrease the Pollution of Receptive Environment. International Journal of Environmental Science and Development, 2(2): 128–132. DOI: 10.7763/IJESD.2011.V2.109.
• Ghajari A., Gholinezhad J., Soltanian H., Mortazavi S.A., 2014. An improvement to physical properties of heavy-weight oil well cements using carbon nanotubes. Journal of Petroleum Science and Technology, 4(2): 10–19. DOI: 10.22078/jpst.2014.401.
• Haddad A.N., de Morais J.F, 2014. Analysis by ultrasound of the behavior of carbon nanotubes on cementitious composites. Journal of Nanotechnology and Advance Materials, 2(2): 89–98. DOI: 10.12785/jnam/020206.
• Horszczaruk E., Mijowska E., Cendrowski K., Mijowska S., Sikora P., 2013. Wpływ nanokrzemionki o zróżnicowanej morfologii na właściwości mechaniczne zapraw cementowych. Cement Wapno Beton, 1: 24–32.
• Huang X., Qi Y., Boey F., Zhang H., 2012. Graphene based composites. Chemical Society Reviews, 41(2): 666–686. DOI:10.1039/c1cs15078b.
• Kosta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Shah S.P., 2010. Multi-scale mechanical and fracture characteristics and early-age strain capacity of high performance carbon nanotube/cement nanocomposites. Cement and Concrete Composites, 32(2): 110–115. DOI:10.1016/j.cemconcomp.2009.10.007.
• Kuilla T., Bhadra S., Yao D., Kim N.H., Bose S., Lee J.H., 2010. Recent advances in graphene based polymer composites. Progress in Polymer Science, 35(11): 1350–1375. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.07.005.
• Li G.Y., Wang P.M., Zhao X., 2005. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multiwalled carbon nanotubes. Carbon, 43(6): 1239–1245. DOI: 10.1016/j.carbon.2004.12.017.
• Li G.Y., Wang P.M., Zhao X., 2007. Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites. Cement and Concrete Composites, 29(5): 377–382. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2006.12.011.
• Li H., Xiao H., Yuan J., Ou J., 2004. Microstructure of Cement Mortar with Nano-Particles. Composites Part B: Engineering, 35: 185–189. DOI: 10.1016/S1359-8368(03)00052-0.
• Li X., Rafieepour S., Miska S.Z., Takach N.E., Ozbayoglu E., Tu M., Mata C., 2019. Carbon nanotubes reinforced lightweight cement testing under tri-axial loading conditions. Journal of Petroleum Science and Engineering, 174: 663–675. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.11.077.
• Li Z., Wang H., He S., Lu Y., Wang M., 2006. Investigations on the preparation and mechanical properties of the nano-alumina reinforced cement composite. Materials Letters, 60(3): 356–359. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.08.061.
• Luo J., Duan Z., Li H., 2009. The influence of surfactants on the processing of multi‐walled carbon nanotubes in reinforced cement matrix composites. Physica Status Solidi (a), 206(12): 2783–2790. DOI: 10.1002/pssa.200824310.
• Musso S., Tulliani J.-M., Ferro G., Tagliaferro A., 2009. Influence of carbon nanotubes structure on the mechanical behavior of cement composites. Composites Science and Technology, 69(11–12): 1985–1990. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.05.002.
• Nasibulin A.G., Koltsiva T., Nasibulin L.I., Anoshkin I.V., Semencha A., Tolochko O.V., Kauppinen E.I., 2013. A novel approach to composite preparation by direct synthesis of carbon nanomaterial on matrix or filler particles. Acta Materialia, 61(6): 1862–1871. DOI:10.1016/j.actamat.2012.12.007.
• Nazari A., Riahi S., 2011. Al2O3 nanoparticles in concrete and different curing media. Energy and Buildings, 43(6): 1480–1488. DOI:10.1016/j.enbuild.2011.02.018.
• Pandey P., Dahiya M., 2016. Carbon Nanotubes: Types, Methods of Preparation and Applications. International Journal of Pharmaceutical Science and Research, 1(4): 15–21.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/155607-MS.
• Rahman M.K., Khan W.A., Mahmoud M.A., Sarmah P., 2016a. MWCNT for Enhancing Mechanical and Thixotropic Properties of Cement for HPHT Applications. Offshore Technology Conference. DOI: 10.4043/26465-MS.
• Rahman M.K., Murtaza M., Al-Majed A.A., 2016b. Effect of Nanoclay on Mechanical and Rheological Properties of Oil Well Cement Slurry under HPHT Environment. International Petroleum Technology Conference. DOI: 10.2523/IPTC-18989-MS.
• Wang B., Han Y., Liu S., 2013. Effect of highly dispersed carbon nanotubes on the flexural toughness of cement-based composites. Construction and Building Materials, 46: 8–12. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.014.
• Normy
• PN-EN ISO 10426-1:2009 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2:2003 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).