Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych

• Autorzy: Dębińska E. , Rzepka M. , Kremieniewski M.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2016.12.11

Warianty tytułu

EN

Nanoparticles – new direction in improvement of liquid and hard cement slurries

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zwiększające się wymagania odnośnie właściwości zaczynu i kamienia cementowego sprawiają, iż konieczne jest poszukiwanie niekonwencjonalnych rozwiązań i materiałów, które zapewnią uzyskanie jak najlepszych efektów. Przy stosowaniu odpowiednich ilości nanocząsteczek możliwe jest zaprojektowanie zaczynu cementowego o dobrych parametrach reologicznych, dużej wytrzymałości, a równocześnie charakteryzującego się niską filtracją. W wyniku przeprowadzonych w INiG – PIB badań nad wpływu nanotlenku krzemu i nanotlenku glinu na właściwości zaczynu cementowego można stwierdzić, że komponenty te powodują wyraźną poprawę parametrów stwardniałego zaczynu cementowego. Na uwagę zasługuje fakt, że kamienie cementowe uzyskane z zaczynów zawierających nanokomponenty charakteryzowały się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie, co jest spowodowane upakowaniem się w przestrzeniach porowych nanocząsteczek o bardzo małych rozmiarach. Nawet w temperaturze 25°C próbki z nano-SiO₂ i nano-Al₂O₃ osiągały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące w niektórych przypadkach nawet do 30 MPa po 2 dniach i prawie 50 MPa po 28 dniach. W porównaniu z kamieniem cementowym bez dodatku nanocząsteczek jest to przyrost wytrzymałości na ściskanie sięgający kilkudziesięciu procent. Stwardniałe zaczyny cementowe z dodatkiem nanocząsteczek wykazywały również znacznie bardziej zwartą mikrostrukturę w porównaniu z tzw. „czystym” zaczynem bazowym. Próbki z nanocząsteczkami posiadały także bardzo niską (około 1,5÷2%) zawartość porów kapilarnych, mogących tworzyć kanaliki dla przepływu mediów złożowych przez płaszcz cementowy w otworze wiertniczym. Pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowią zdecydowaną większość (95÷98%) z ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej. Świadczy to o bardzo niskiej przepuszczalności dla medium złożowego w przypadku zastosowania próbek z dodatkami nanokomponentów. Zaprezentowane w niniejszym artykule zaczyny cementowe z nanocząsteczkami krzemu i glinu mogą być podstawą do opracowania szerokiej gamy innowacyjnych receptur zaczynów uszczelniających o podwyższonych wytrzymałościach mechanicznych i bardzo wysokiej szczelności matrycy cementowej.

EN

Increasing requirements on the properties of slurry and set cement slurry enforce seeking unconventional solutions and materials that will ensure obtaining the best results. By using appropriate amounts of nanoparticles, it will be possible to design a cement slurry with good rheological parameters, high compressive strength, and at the same time low filtration. The results of research carried out in The Oil and Gas Institute – National Research Institute, concerning the influence of nanosilica and nano alumia oxide (nano-Al₂O₃) on the properties of cement slurry, confirmed that the addition of nanoparticles significantly improves the parameters of set cements. Noteworthy is the fact that the cement stones prepared from cement slurries with nanoparticles were characterized by high values of compressive strength, which was caused by packing of the small size nanoparticles in the pore spaces. Even at temperatures of 25oC cement samples with nano-SiO₂ and nano-Al₂O₃ achieved high compressive strength, as high as 30 MPa after 2 days and almost 50 MPa after 28 days. Compared to the samples base without the addition of nanoparticles, an increase of compressive strength of tens of percent up could be observed. Equate to base cement slurry, set cements with nanoparicles addition were characterized by more compact microstructure. Pore distribution of cement stone samples with nanoparticles were characterized by a small number of capillary pores (in the range 1.5÷2%), which could cause channels for the flow of reservoir fluids through the cement sheath in the borehole. Pores of the smallest sizes (below 100 nm), made up a vast majority (95÷98%) of the total pores in the cement matrix, which prove their low permeability for reservoir fluids. Presented in this article, cement slurries with the addition of nanosilica and nano alumia oxide can be the basis for the development of a wide range of innovative recipes sealing slurries with higher mechanical strength and very high tightness of the cement matrix.

Słowa kluczowe

PL

nanokrzemionka; zaczyn cementowy; stwardniały zaczyn cementowy; wytrzymałość mechaniczna

EN

nanosilica; cement slurry; set cement; mechanic strength

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 72, nr 12
• Strony: 1084--1091
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Dębińska E.

autor

Rzepka M.

• Laboratorium Zaczynów Uszczelniających, Zakład Technologii Wiercenia. Instytut Nafty i Gazu — Państwowy Instytut Badawczy ul. Lubicz 25 A 31-503 Kraków

autor

Kremieniewski M.

• Zakład Technologii Wiercenia. Instytut Nafty i Gazu — Państwowy Instytut Badawczy ul. Lubicz 25 A 31-503 Kraków

Bibliografia

• [1] Birgisson B., Beatty C.L.: Nanomodified Concrete Additive and High Performance Cement Paste and Concrete There-from. International Patent Applicaton, PCT/US2007/073430.
• [2] Birgisson B., Mukhopadhyay A.K., Geary G., Khan M., Sobolev K.: Nanotechnology in Concrete Materials: A Synopsis. Transportation Research Circular, Nr E-C170, December 2012.
• [3] Campillo I., Guerrero A., Dolado J.S., Porro A., Ibanez J.A., Goni S.: Improvement of lnitial Mechanical Strenght by Nanoalumina in Belite Cements. Materials Letters 2007, vol. 61, s. 1889-1892.
• [4] Czarnecki L.: Nanotechnologia w budownictwie; www.inzynierbudownictwa.pl/drukuj,4234 (dostęp: kwiecień 2016).
• [5] Dębińska E.: Niekonwencjonalne zaczyny cementowe z dodatkiem nanokrzemionki. Nafta-Gaz 2015, nr 5, s. 290-300.
• [6] DębińskaE.: Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego. Nafta-Gaz 2014, nr 4, s. 229 235.
• [7] Guskos N., Zolnierkiewicz G., Typek J., Blyszko J., Kiernozycki W., Narkiewicz U.: Ferromagnetic Resonance and Compressive Strength Study of Cement Mortars Containing Carbon Encapsulated Nickel and Iron Nanoparticles. Reviews on Advanced Materials Science 2010, vol. 23, s. 113-117.
• [8] ankiewicz B.J., Choma J., Jamiola D., Jaroniec M.: Nanostruktury krzemionkowo-metaliczne. Wiadomości Chemiczne 2010, vol. 64,s. 11-12.
• [9] Li H., Xiao H., Ou J.: A Study on Mechanical and Pressure-Sensitive Properties of Cement Mortar with Nanophase Materials. Cement and Concerne Research 2004, vol. 34, s. 435-438.
• [10] Li H., Xiao H., Ou J.: Microstructure of Cement Mortar with Nano-Particles. Composites: Part B 2004, vol. 35, s. 185-189.
• [11] Patil R., Deshpande A.: Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Conference materials: SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition, Noordwijk, The Netherlands, 12 14.06.2012, s. 120-123.
• [12] Santra A., Boul P.J., Pang X.: Influence of Nanomaterials in Oilwell Cement Hydration and Mechanical Properties. Conference materials: SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition, Noordwijk, The Netherlands, 12-14.06.2012, s. 177-189.
• [13] Strona internetowa: http://docplayer.pl/4607780-Nanokrzemionki-sferyczne-do-zastosowan-high-tech.html (dostęp: 12.10.2016).
• [14] Strona internetowa: http://miesiecznikchemik.pl/wp-content/uploads/2015/02/chemik_2014_09-3.pdf (dostęp: 21.10.2016).
• [15] Uliasz M., Zima G., Błaż S., Jasiński B.: Ocena właściwości cieczy wiertniczych w aspekcie zapobiegania migracji gazu w otworach na przedgórzu Karpat. Nafta-Gaz 2015, nr 1, s. 11-17.
• [16] Wilk K., Kasza P., Czupski M.: Zastosowanie nanocieczy jako dodatków wspomagających proces wypierania ropy naftowej. Nafta-Gaz 2014, nr l, s. 14-20.
• Akty prawne i normatywne
• [17] Norma PN-EN ISO 10426-6 Przemyśl naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 2: Badania cementów wiertniczych, maj 2006.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.