Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Rozszerzona metodyka doboru modelu reologicznego zaczynów cementowych stosowanych w wiertnictwie

Skrzypaszek Krzysztof

Rynek Energii

|

2025

|

Nr 3

52--60

PL

W artykule przedstawiono rozszerzoną metodykę doboru modelu reologicznego zaczynów cementowych stosowanych w technologiach wiertniczych, bazującą na autorskiej procedurze Rheosolution. Standardowe modele reologiczne zalecane przez normy API (Binghama, Ostwalda de Waele oraz Herschela-Bulkleya) często okazują się niewystarczające do precyzyjnego odwzorowania zachowania współczesnych, chemicznie modyfikowanych zaczynów cementowych. W odpowiedzi na te ograniczenia zaproponowano wdrożenie zaawansowanego, nieliniowego modelu vom Berga, zawierającego funkcję odwrotnego sinusa hiperbolicznego (sinh⁻¹) dotychczas stosowanego głównie w przemyśle budowlanym. Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie skuteczności tego modelu w opisie zależności naprężeń stycznych w funkcji szybkości ścinania oraz porównanie wyników z klasycznym podejściem wg norm API. Przeprowadzono szczegółowe badania laboratoryjne pięciu modyfikowanych chemicznie zaczynów cementowych opartych na cemencie klasy G, różniących się współczynnikiem wodno-cementowym (w/c w zakresie od 0,40 do 0,60). Do badań zastosowano standardowy lepkościomierz rotacyjny typu Fann, a analiza danych oparta została o numeryczne metody regresji najmniejszych kwadratów oraz statystyczne kryteria jakości dopasowania (współczynnik korelacji liniowej Pearsona, test Fishera-Snedecora, suma kwadratów odchyleń). Uzyskane rezultaty jednoznacznie wykazały, że model vom Berga zapewnia najwyższą zgodność z danymi eksperymentalnymi (średni współczynnik korelacji Pearsona ~ 0,999), znacząco przewyższając dokładność tradycyjnie stosowanych modeli zalecanych przez API. Implementacja nowej metodyki w autorskim oprogramowaniu Rheosolution pozwala na dokładniejsze projektowanie i realizację zabiegów cementowania, zmniejszając ryzyko awarii technicznych oraz optymalizując koszty operacyjne. Zaprezentowane wyniki stanowią mocne uzasadnienie dla uwzględnienia modelu Vom Berga w przyszłych normatywnych rekomendacjach branżowych oraz sugerują konieczność dalszych badań w warunkach uwzględniających wpływ temperatury i ciśnienia.

EN

This article presents an extended methodology for selecting rheological models of cement slurries used in drilling technologies, based on the proprietary Rheosolution procedure. Standard rheological models recommended by API standards (Bingham, Ostwald de Waele, and Herschel-Bulkley) often prove insufﬁcient for accurately describing the behavior of modern, chemically modiﬁed cement slurries. To address these limitations, the implementation of the advanced nonlinear vom Berg model, incorporating an inverse hyperbolic sine function (sinh‘l), is proposed. The purpose of the research was to evaluate the effectiveness of this model in describing the relationship between shear stress and shear rate and to compare these results with the classical API-standard approaches. Detailed 1a- boratory studies were conducted on ﬁve chemically modiﬁed cement slurries based on Class G cement, differing in their water-to-cement ratio (w/c ranging from 0.40 to 0.60). A standard Fann rotary viscometer was used for the experiments, and the data analysis employed numerical methods of least-squares regression and statistical criteria for ﬁt quality assessment (Pearson linear correlation coefﬁcient, Fisher-Snedecor test, sum of squared deviations). The obtained results clearly demonstrated that the vom Berg model provides the best conformity with experi- mental data (mean Pearson correlation coefﬁcient exceeding 0.999), signiﬁcantly outperforming the traditionally used API-recommended models. The implementation of this new methodology within the Rheosolution software enables more precise design and execution of cementing operations, thus reducing technical failure risks and optimizing operational costs. The presented results strongly justify incorporating the vom Berg model into future normative industry recommendations and suggest the necessity for further research considering temperature and pressure effects.

2

Wpływ średnicy i długości włókien polimerowych na skurcz plastyczny zaczynów cementowych

Iwańska Karolina, Zieliński Adam

Przegląd Budowlany

|

2025

|

R. 96, nr 4

82--86

PL

Celem artykułu jest analiza wpływu długości i średnicy mikrowłókien polipropylenowych na skurcz plastyczny zaczynów cementowych. W badaniach laboratoryjnych zastosowano mikrowłókna o średnicy 18 i 34 μm i długościach 6 mm oraz 12 mm, w ilości 0,9 kg/m³. Do oceny skurczu wykorzystano autorską metodę pomiaru odkształceń skurczowych z zastosowaniem półokrągłej formy z odsłoniętą powierzchnią formowania. Analiza wyników wykazała, że większość konfiguracji mikrowłókien przyczyniła się do istotnej redukcji skurczu plastycznego, natomiast we wszystkich przypadkach zaobserwowano ograniczenie skurczu całkowitego w początkowym okresie twardnienia zaczynu. W szczególności największą redukcję skurczu plastycznego osiągnięto dla mikrowłókien o średnicy 34 μm i długości 6 mm. Zastosowanie włókien wpłynęło również na ograniczenie zjawiska curlingu.

EN

The purpose of this paper is to analyze the effect of the length and diameter of polypropylene microfibers on the plastic shrinkage of cement slurries. In laboratory tests, microfibers with diameters of 18 and 34 μm and lengths of 6 mm and 12 mm were used at a rate of 0,9 kg/m³. A proprietary method of measuring shrinkage strain using a semicircular mold with an exposed molding surface was used to evaluate shrinkage. Analysis of the results showed that most microfiber configurations contributed to a significant reduction in plastic shrinkage, while in all cases a reduction in total shrinkage was observed during the initial period of grout hardening. In particular, the greatest reduction in plastic shrinkage was achieved for microfibers with a diameter of 34 μm and a length of 6 mm. The use of fibers also reduced the curling phenomenon.

3

Wybrane zagadnienia z nanotechnologii zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu

|

2024

|

nr 244

1--136

PL

Nanotechnologia stanowi nową metodę podejścia do projektowania i wytwarzania komponentów o bardzo niewielkich rozmiarach, co pozwala na uzyskanie produktów o wyjątkowych właściwościach i funkcjach użytkowych. Wśród szeregu materiałów poddanych modyfikacji za pomocą nanotechnologii możemy również wyróżnić powszechnie znany i używany budulec, jakim jest cement. W niniejszej monografii omówiono szereg zagadnień związanych z wykorzystaniem nanotechnologii do sporządzania zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych. Technologia sporządzania zaczynu cementowego w otworach wiertniczych przez ostatnie lata polegała często na wykorzystywaniu coraz to drobniejszych dodatków wypełniających pustki w matrycy cementowej. Do tego celu doskonale nadają się nanokomponenty, takie jak np. nano-SiO2 oraz nano-Al2O3, które powodują wyraźną poprawę parametrów płynnego i stwardniałego zaczynu cementowego. Redukują one odstój wody, czyli tzw. wolną wodę z zaczynów, oraz filtrację, co ma szczególnie znaczenie w przypadku cementowania otworów kierunkowych. Użycie nanododatków powoduje ponadto m.in. podwyższenie lepkości plastycznej oraz granicy płynięcia zaczynów cementowych, a także wyraźne skracanie czasu żelowania i wiązania receptur cementowych. W przypadku zaczynów z nano-SiO2 oraz nano-Al2O3 można zaobserwować wzrost (w porównaniu z zaczynami konwencjonalnymi) wartości wytrzymałości na ściskanie, wynikający ze szczelnego upakowania się w matrycy cementowej nanocząsteczek o bardzo małych ozmiarach. Mikrostruktura zaczynów z nanotlenkiem krzemu oraz glinu jest zwarta i cechuje się niewielką porowatością, o czym świadczą zamieszczone w monografii fotografie wykonane pod mikroskopem skaningowym oraz testy przeprowadzone na porozymetrze rtęciowym. Porowatości próbek zawierających nanododatki są znacznie niższe w porównaniu z porowatością zaczynów konwencjonalnych. Dzięki zastosowaniu zaczynów zawierających nanokomponenty zachodzi minimalne niebezpieczeństwo wytworzenia się kanalików dla przepływu mediów złożowych w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. Wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach hydratacji są wysokie (dla próbek z dodatkiem odpowiednio dobranych nanododatków dochodziły prawie do 40 MPa). Przyczepności do rur stalowych kamieni cementowych zawierających nanododatki również są wysokie (wynoszą często ok. 5–6 MPa). Ponadto zastosowanie innowacyjnej technologii w postaci nanorurek węglowych w zaczynach również wpływa pozytywnie na wzrost wytrzymałości mechanicznej oraz mikrostrukturę kamieni cementowych. Zmodyfikowane dodatkiem nanorurek kamienie cementowe charakteryzują się bardzo wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Posiadają one zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Nanorurki mogą być z powodzeniem stosowane w zaczynach cementowych w szerokim zakresie temperatur (od 20°C do nawet do 150°C). Przedstawione w niniejszej monografii możliwości użycia zaczynów cementowych wzbogaconych nanokomponentami czy też nanorurkami węglowymi w istotny sposób poszerzają zakres dostępnych receptur, które można zastosować w celu optymalnego zacementowania otworów wiertniczych. Zaczyny z nanododatkami mogą w najbliższych latach znaleźć zastosowanie w przypadkach, w których konieczne będzie uzyskanie niezwykłej szczelności płaszcza cementowego w otworze wiertniczym.

EN

Nanotechnology is a new method of approaching the design and production of components of very small sizes, which allows for obtaining products with unique properties and functional functions. Among a number of materials modified using nanotechnology, we can also distinguish a commonly known and used building material, cement. This monograph discusses a number of issues related to the eradication of nanotechnology for the preparation of cement slurries used to seal boreholes. In recent years, the technology of preparing cement slurry in boreholes has often involved the use of increasingly finer additives to fill free spaces in the cement matrix. Nanocomponents are perfect for this purpose, such as nano-SiO2 and nano-Al2O3, which significantly improve the parameters of the liquid and hardened cement slurry. They reduce free fluid, i.e. the so-called free water from slurry and filtration, which is particularly important in the case of cementing directional boreholes. The use of nanoadditives also causes, among others, increasing the plastic viscosity and yield point of cement slurries as well as significantly shortening the gelling and setting time of cement slurries. In the case of nano-SiO2 and nano-Al2O3 slurries, an increase (compared to conventional slurries) in the value of compressive strength can be observed, resulting from the tight packing of very small nanoparticles in the cement matrix. The microstructure of slurries with nanosilicon and aluminum oxide is compact and characterized by low porosity, as evidenced by the photographs included in the monograph, taken under a scanning microscope and by tests performed on a mercury porosimeter. The porosities of samples containing nanoadditives are much lower compared to the porosities of conventional slurries. Thanks to the use of slurries containing nanocomponents, there is a minimal risk of creating channels for the flow of formation media in the cement sheath of the borehole. The compressive strengths after 28 days of hydration are high (for samples with the addition of appropriately selected nanoadditives, they reached almost 40 MPa). Adhesions to steel pipes of cement stones containing nanoadditives are also high (often approx. 5 – 6 MPa). Moreover, the use of innovative technology in the form of carbon nanotubes in slurries also has a positive effect on the increase in mechanical strength and microstructure of cement stones. Cement stones modified with the addition of nanotubes are characterized by very high compressive strength values and high adhesion to steel pipes. They have a compact microstructure with a low content of macropores. Nanotubes can be successfully used in cement slurries in a wide temperature range (from 20°C to even up to 150°C). The possibilities of using cement slurries enriched with nanocomponents or carbon nanotubes presented in this monograph significantly expand the range of available recipes that can be used for optimal cementing of boreholes. In the coming years, slurries with nano-additives may be used in cases where it is necessary to obtain extraordinary tightness of the cement sheath in a borehole.

4

Wpływ korozji węglanowej na szczelność kamieni cementowych w otworach przeznaczonych do sekwestracji

Kut Łukasz

Nafta-Gaz

|

2024

|

R. 80, nr 1

12--18

PL

Od kilku lat na całym świecie bardzo często poruszane są zagadnienia dotyczące emisji dwutlenku węgla do środowiska oraz problemów z tym związanych. Niektóre kraje postanowiły stanąć do walki i szukać sposobów na zmniejszenie ilości produkowanego dwutlenku węgla i ewentualnej możliwości jego bezpiecznego składowania. Zanieczyszczenie środowiska oraz wzrost emisji dwutlenku węgla do atmosfery stanowią obecnie główne problemy dotyczące gospodarki światowej, a w szczególności krajowej. Jednym ze sposobów składowania CO2 jest jego sekwestracja, czyli podziemne składowanie i deponowanie w strukturach geologicznych, między innymi w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu oraz poziomach solankowych. Kolejnym sposobem może być zatłaczanie dwutlenku węgla do złoża ropy, co stanowi jedną z efektywniejszych metod wspomagania wydobycia. W naszym kraju na najbliższe lata planuje się wiercenia otworów przeznaczonych do sekwestracji dwutlenku węgla. Do cementowania tych otworów powinny być użyte zaczyny uszczelniające, które wykazują podwyższoną odporność na działanie CO2 oraz odpowiednio niskie porowatość i przepuszczalność. Przemysł naftowy w Polsce do uszczelniania kolumn rur okładzinowych stosuje konwencjonalne zaczyny cementowe na bazie cementu portlandzkiego A-42,5R lub wiertniczego „G” wraz z innymi składnikami regulującymi parametry zaczynów i stwardniałych zaczynów cementowych. Powszechnie stosowane w otworach wiertniczych zaczyny uszczelniające mogą ulegać korozji węglanowej, dlatego konieczne jest prowadzenie badań oraz analiza oddziaływania CO2 nie tylko na zmianę parametrów mechanicznych stwardniałych zaczynów, ale również na zmiany struktury porowej stwardniałych zaczynów i ich szczelności w czasie. Celem badań była analiza wpływu korozji węglanowej na zmianę struktury porowej oraz przepuszczalności dla gazu stwardniałych zaczynów cementowych w funkcji czasu ich sezonowania. Badaniom laboratoryjnym poddano stwardniałe zaczyny cementowe wykonane według receptur powszechnie stosowanych w przemyśle naftowym podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w temperaturach od 60°C do 80°C. Próbki stwardniałych zaczynów cementowych przetrzymywano w wodzie wodociągowej i analogicznie sezonowano w wodzie nasyconej CO2 oraz poddawano badaniom po upływie założonego czasu. Analizowany był wpływ dwutlenku węgla na zmiany przepuszczalności dla gazu i porowatości stwardniałych zaczynów cementowych w funkcji czasu ich sezonowania. Przeprowadzone badania ukazały wpływ korozji węglanowej na strukturę stwardniałych zaczynów cementowych oraz na zmiany szczelności płaszcza cementowego w czasie oraz możliwości ich zastosowania w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu przeznaczonych do składowania dwutlenku węgla. Z wybranych receptur zaczynów cementowych sporządzono próbki stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 godzin w ustalonej temperaturze i ciśnieniu (warunki otworopodobne). Otrzymane próbki stwardniałego zaczynu cementowego poddano badaniu porowatości oraz przepuszczalności dla gazu.

EN

For several years, discussions about carbon dioxide emissions and related environmental issues have been prevalent worldwide. Some countries have e committed to addressing this issue by seeking methods to reduce carbon dioxide production and ensure its safe storage. Environmental pollution and the increase in carbon dioxide emissions into the atmosphere are currently the main problems affecting not only the global economy, but domestic economies in particular. One of the methods of storing CO2 is sequestration, i.e., underground storage and depositing in geological structures, including depleted oil and gas reservoirs and aquifers. Another approach involves injecting carbon dioxide into oil reservoirs, which is considered one of more effective methods of enhancing oil recovery. In Poland, drilling boreholes for carbon dioxide sequestration is planned in the coming years. To cement these boreholes, sealing slurries that exhibit increased resistance to CO2, low porosity and permeability should be used. The oil industry in Poland uses conventional cement slurries based on Portland A-42.5R or class G oil-well cement, along with other ingredients that regulate the parameters of slurries and hardened cement slurries, to seal casing strings. Sealing slurries typically used in drilling boreholes may be susceptible to carbonate corrosion, therefore it is necessary to conduct research and analyze the impact of CO2 not only on changes in the mechanical parameters of hardened slurries but also in the pore structure of stones and their tightness over time. The aim of the research was to analyze the impact of carbonate corrosion on the change in the pore structure and gas permeability of hardened cement slurries as a function of their seasoning time. Laboratory tests were conducted on hardened cement slurries, prepared using compositions typically used in the petroleum industry for sealing casing strings at temperatures ranging from 60 to 80°C. Samples of hardened cement slurries were kept in tap water, while analogous samples were seasoned in CO2-saturated water and tested after specific periods. The influence of carbon dioxide on changes in gas permeability and porosity of hardened cement slurries as a function of their seasoning time was analyzed. The study revealed the impact of carbonate corrosion on the structure of hardened cement slurries and changes in the tightness of the cement sheath over time, as well as the possibility of their use in depleted oil and gas reservoirs intended for carbon dioxide storage. Samples of hardened cement slurries were prepared from selected cement slurry compositions. The slurries were allowed to set for 48 hours under controlled temperature and pressure conditions, simulating borehole environments. The obtained samples of hardened cement slurry were then tested for porosity and gas permeability.

5

Doszczelnienie matrycy kamieni cementowych otrzymanych z zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnych magazynów wodoru w kawernach solnych

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin

Nafta-Gaz

|

2024

|

R. 80, nr 1

3--11

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań nad doszczelnieniem matrycy kamieni cementowych otrzymanych z zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnych magazynów wodoru w kawernach solnych. W recepturach zaczynów cementowych została zwiększona ilość dodatku mikrocementu oraz podjęto próbę zastosowania wybranych rodzajów nanomateriałów. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatury 25°C i ciśnienia 10 MPa. W badanych zaczynach cementowych jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G. Zaczyny cementowe sporządzano na solance o pełnym nasyceniu o gęstości 1200 kg/m3 ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający i obniżający filtrację oraz nanomateriały. Pozostałe składniki: mikrocement, gips modelowy oraz cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. W przypadku każdego zaczynu cementowego wykonywano badania parametrów technologicznych takich jak: właściwości reologiczne, gęstość, rozlewność, odstój wody oraz czas gęstnienia zaczynu. Przeprowadzano również badania wytrzymałości na ściskanie po 7 dniach oraz po 1 i 6 miesiącach, a także pomiar porowatości stwardniałych zaczynów cementowych po 6 miesiącach deponowania w pełni nasyconej solance. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1910 kg/m3 do 1940 kg/m3 . Wszystkie zbadane stwardniałe zaczyny cementowe charakteryzowały się zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Udział porów o średnicy powyżej 10 000 nm wyniósł od 1,3% do 3,2% ilości wszystkich porów. Natomiast udział porów o średnicy poniżej 100 nm w całej matrycy stwardniałego zaczynu cementowego wyniósł od 94,3% do 97,5%. Dodatek większej ilości mikrocementu oraz wprowadzenie nanokomponentów do receptur zaczynów cementowych spowodowały wzrost wytrzymałości na ściskanie oraz obniżenie porowatości kamieni cementowych.

EN

The article presents the results of research on the sealing of the matrix of cement stones derived from cement slurries, specifically designed for underground hydrogen storage in salt caverns. This study involved increasing the amount of microcement in cement slurry mixes and experimenting with selected types of nanomaterials. Laboratory tests of cement slurries were conducted at the Oil and Gas Institute – National Research Institute, under controlled conditions of 25°C and 10 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G oil-well cement. Cement slurries were prepared on fully saturated brine with a density of 1200 kg/m3 reflecting the direct presence of salt in the wellbore. The agents added into the brine included defoamers, liquefying agents, fluid loss control additive and nanocomponents. The other ingredients – microcement, model gypsum and cement – were mixed together and then added to the mixing water. The cement slurries were tested for rheological parameters, density, free water, fluidity, filtration and thickening time. Compressive strength tests were conducted at intervals of 7 days, 1 month and 6 months, along measurement of porosity of hardened cement slurry after 6 months of depositing fully saturated brine. The developed cement slurries exhibited favorable rheological parameters and no free water. The densities of tested slurries ranged from 1910 kg/m3 to 1940 kg/m3 . All hardened cement slurries tested were characterized by a compact microstructure with a low content of macropores. The proportion of pores with a diameter above 10,000 nm ranged from 1.3 to 3.2% of all pores. Whereas, the proportion of pores with a diameter below 100 nm in the entire cement stone matrix ranged from 94.3 to 97.5%. The addition of a larger amount of microcement and nanocomponents to the cement slurry mixes resulted in an increase in compressive strength and a decrease in the porosity of cement stones.

6

Badania przyczepności stwardniałych zaczynów cementowych do formacji skalnej po zastosowaniu różnych rodzajów płuczek wiertniczych i cieczy przemywających

Łyczko Krzysztof, Wójtowicz Tomasz, Rzepka Marcin, Jasiński Bartłomiej

Nafta-Gaz

|

2024

|

R. 80, nr 8

480--487

PL

W artykule omówiono zagadnienia dotyczące przyczepności stwardniałych zaczynów cementowych do pobranych z piaskowca rdzeni skalnych, na których wytwarzany był osad z różnych rodzajów płuczek wiertniczych. Rdzenie z wytworzonym osadem przemywano następnie cieczą przemywającą oraz buforem. Przemyte próbki zalewano zaczynem cementowym, pozostawiając je do związania na okres 2 i 7 dni. W trakcie badań wykorzystywano specjalne stanowisko przeznaczone do wytwarzania osadów i przemywania próbek skalnych. Następnie za pomocą maszyny wytrzymałościowej wyznaczano wartość przyczepności zaczynu cementowego do skały. W badaniach laboratoryjnych stosowano płuczkę z PHPA (polimerowo-potasową) oraz płuczkę glikolową. Używano odpowiednio dobranych cieczy przemywających oraz buforu. W badaniach wykorzystywano cztery rodzaje zaczynów cementowych. Były to zaczyny zawierające nanokomponenty (nano-SiO2 oraz nano-Al2O3), zaczyn z dodatkiem lateksu oraz zaczyn konwencjonalny bez specjalnych dodatków. Spośród przebadanych cieczy przemywających najlepsze połączenie na kontakcie stwardniały zaczyn cementowy–skała piaskowcowa uzyskano po zastosowaniu wodnego roztworu niejonowego surfaktantu z grupy etoksylowanych alkoholi tłuszczowych. Komponenty zaczynów cementowych w postaci nanododatków i lateksu powodują polepszenie parametrów technologicznych zaczynu cementowego (w tym zwiększenie przyczepności do skały). Nanotlenek glinu i krzemu oraz lateks redukują również m.in. odstój wody, czyli tzw. wolną wodę, z zaczynów oraz obniżają filtrację, co ma szczególne znaczenie w przypadku cementowania otworów kierunkowych. Zdecydowana większość badanych próbek cechowała się bardzo wysoką przyczepnością kamienia cementowego do skały. Można to tłumaczyć prawidłowym dobraniem cieczy przemywającej i cieczy buforowej do konkretnego rodzaju płuczki, a następnie użyciem odpowiedniego zaczynu cementowego. Opracowane w ostatnich latach w INiG – PIB ciecze przemywające oraz zaczyny cementowe mogą być wykorzystane w krajowym przemyśle wiertniczym, co powinno przyczynić się do poprawy jakości wiązania zaczynu cementowego z rurą okładzinową i formacją skalną.

EN

This article presents the results of research on the force of adhesion between the hardened cement slurries and the rock cores, on which filter cake from various types of drilling muds was created. Sandstone cores with the filter cake were washed with washer fluids and spacer fluid. The washed samples were poured over with cement slurry, leaving them to set for 2 and 7 days. A test rig designed to produce filter cake and wash rock samples was used to perform the tests. Then the value of adhesion of the hardened cement slurry to the rock was determined using a testing machine. The laboratory tests used a polymer-potassium drilling mud (with PHPA) and a glycol drilling mud, as well as appropriately selected washing fluids and buffer. Four types of cement slurries were also used: slurries containing nanocomponents (nano-SiO2 and nano-Al2O3), slurry with latex, and conventional slurry without special additives. Of the washing fluids tested, the best bonding at the contact between hardened cement slurry and sandstone rock was obtained after using an aqueous solution of a non-ionic surfactant from the group of ethoxylated fatty alcohols. Cement slurry components in the form of nano-additives and latex result in improved technological parameters of cement slurry (including increased adhesion to rock). Aluminum and silicon nanoxide and latex also reduce, among other things, free water in slurry and filtration, which is particularly important in the cementing of directional boreholes. The vast majority of the samples tested were characterized by very high adhesion of the cement stone to the rock. This can be explained by the correct selection of the washer fluid and spacer fluid for a particular type of mud and then the use of a suitable cement slurry. Washer fluids and cement slurries developed at INiG – PIB can be used in the domestic drilling industry, which should help improve the quality of cement slurry bonding with the casing and rock formation.

7

Rozszerzenie zastosowania trójskładnikowego systemu OPC-CSA-CŠ w inżynierii szybkich napraw poprzez włączenie popiołu lotnego

Zhou Wei, Pan Chao, Yao Suwan, Wang Kangkang, Zhang Haibo

Cement Wapno Beton

|

2024

|

R. 29, nr 4

324--342

PL

W pracy zbadano wpływ popiołu lotnego [FA] na hydratację i rozwój wytrzymałości zaczynów cementowych z trójskładnikowego spoiwa z układu OPC-CSA-CŠ [cement portlandzki – cement wapniowo-siarczanoglinianowy – anhydryt]. Badano konsystencję, czas wiązania, zmiany wymiarów liniowych i wytrzymałość na ściskanie zaczynów cementowych zawierających 0%, 5%, 10%, 15% i 20% masowych popiołu lotnego zastępującego cement portlandzki. Proces hydratacji, twardnienie i mikrostrukturę zaczynu cementowego analizowano z użyciem kalorymetrii, XRD, TG-DTG, SEM i MIP. Wyniki wykazały, że wraz ze wzrostem zawartości popiołu lotnego rozpływ zaczynu się zwiększył, czas wiązania najpierw skrócił, a następnie wydłużył się, a dodatek popiołu ograniczył skurcz zaczynu na późniejszym etapie. Gdy zawartość popiołu wynosiła 10%, rozpływ zwiększył się o 9.6%, a czas początku i końca wiązania uległ skróceniu odpowiednio o 23,4% i 12,1%. Jednocześnie efekt zarodkowania FA zapewnia powierzchnię dla wytrącania Ca(OH)2 i fazy C-S-H, co dysperguje wytworzone produkty hydratacji, przyspieszając hydratację i generując więcej AFt, poprawiając wytrzymałość na ściskanie. Na późniejszym etapie hydratacji efekt mikrowypełniacza sprawił, że nieuwodnione cząstki popiołu przecinają duże pory w zaczynie cementowym na małe połączone ze sobą pory, co poprawia ogólną zwartość zaczynu. Powyższe wyniki jeszcze bardziej rozwijają wartość użytkową FA i skutecznie rozszerzają zastosowanie trójskładnikowego systemu cementowego w inżynierii szybkich napraw.

EN

This paper investigates the effect of fly ash [FA] on the hydration and strength development of composite cement pastes with ternary cementitious systems [OPC-CSA-CŠ]. The fluidity, setting time, swelling rate, and compressive strength of cement pastes with 0 %, 5 %, 10 %, 15 % and 20 % [mass fraction] fly ash substituted for OPC cement were tested. The hydration process, hardening, and microstructure of the cement slurry were analyzed by hydration heat, XRD, TG-DTG, SEM, and MIP test techniques. The results showed that with increasing FA content, the flowability of cement slurry improved, the setting time was shortened first and then lengthened, and the doping of FA can inhibit the shrinkage of the volume of the cementitious system at the later stage. When the FA content was 10 %, the flowability increased by 9.6 %, and the initial and final setting times were shortened by 23.4 % and 12.1 %, respectively. Simultaneously, the nucleation effect of FA provides a precipitation surface for Ca(OH)2 and C-S-H, which spreads the generated hydration products, accelerating the early hydration reaction rate and generating more AFt, improved its compressive strength. At the later stage of hydration, the micro-filler effect of FA made the unhydrated particles cut the large pores in the cement pore space into small interconnected pores, which improves the overall compactness of the slurry. The above results further develop the utilization value of FA and effectively expand the application of the ternary cementitious system in rapid repair engineering.

8

Investigation on the impact of low atmospheric pressure on bubble stability in cement‑based materials

Lan Xu-li, Zeng Xiao-hui, Zhu Hua-sheng, Teng Guo-cui, Long Guan-cheng, Tang Zhuo, Xie You-jun

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2024

|

Vol. 24, no. 1

art. no. e33, 2024

EN

With more infrastructures being built in high-altitude regions, the impact of low atmospheric pressure on the stability of air bubbles in cementitious materials has aroused extensive attention. However, its influence is still inconclusive since it is difficult to isolate the factor of air pressure and study it. To solve this problem, the study investigated the bubble dynamic evolution in cement paste at standard atmospheric pressure (P = 0.1 MPa) and low atmospheric pressure (LAP = 0.8P, 0.6P, 0.4P, 0.2P) and revealed the mechanism of bubble instability under low atmospheric pressure. We established the buble dynamic evolution equation in cement paste, computed the real-time bubble radius, resultant force, and critical time at different air pressure by MATLAB software. Results show that the maximum resultant force decreases by 50.0–57.7% when air pressure drops from P to 0.2P; both critical time ( t ) and radius increment (ΔR) increase with the reduction of air pressure and the increase of initial radius. It indicates that when at 0.2P, the resultant force which inhibits bubble expansion is reduced, the time required to prevent bubble expansion increases by 94–137%, and ΔR grows 122–140% larger than that at P, and the bubble is more prone to instability and rupture than that at P. The key to improving bubble stability in low atmospheric pressure is to reduce the initial radius of bubbles and increase the strength of the bubble film. This work firstly discovered the impact of low atmospheric pressure on bubble dynamic evolution in cement paste and proposed a new perspective to explore bubble stability at low atmospheric pressure.

9

Comprehensive evaluation of early-age hydration and compressive strength development in seawater-mixed binary and ternary cementitious systems

Rathnarajan Sundar, Cendrowski Krzysztof, Sibera Daniel, Sikora Pawel

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2024

|

Vol. 24, no. 2

art. no. e121, 2024

EN

Seawater-mixed concrete (SWC) is a proposed solution for catering to the needs of developing nations facing extremely severe water stress. Recent research works advocate the feasibility of producing SWC by adding supplementary cementitious materials (SCMs) and alternative reinforcements without reducing the engineering properties of the same. However, limited information is available for optimising the type and amount of SCMs in binary and ternary blended SW-mixed cementitious systems for achieving desirable strength development and early-age hydration. A comprehensive study to understand the evolution of heat of hydration and strength up to 28 days was conducted on 31 binder compositions mixed with both fresh water (FW) and seawater (SW). Fly ash, slag, metakaolin, and limestone are the supplementary cementitious materials used with CEM I as a primary binder at a replacement level between 10 and 70%. Isothermal calorimetry results revealed an increase in total heat of hydration and a reduction in setting time with SW-mixed cement pastes compared to their FW-mixed counterparts. Similarly, a significant increase in strength between 0 and 50% was observed in SW-mixed cement pastes. Suitable binder combinations showing an increase in compressive strength and not a significant reduction in strength compared to the CEM I reference mix were identified using the strength improvement factor approach. Binary and ternary blended cementitious, consisting of fly ash, slag, and metakaolin at different replacement levels, are amongst the chosen binder combinations.

10

Rheological properties of cement pastes modified with pumice, trass and chalcedonite powder

Spychał Edyta, Vyšvařil Martin

Structure and Environment

|

2023

|

Vol. 15, no. 4

217--226

EN

The article presents the influence of pumice, trass and chalcedonite powder on rheological properties of cement pastes. Cement was being replaced both of additions 10% or 20% by mass and combination of pumice or trass and chalcedonite powder in the amount 5% or 10% of each of them. The main purpose of the publication was to assess the effects of chalcedonite powder with selected mineral additions in terms of rheological properties and compare them with the results obtained for pastes modified with only one of the additions. In each case, the additive or combination of additives introduced into the paste reduced the flow, compared to the result of paste without additive(s). Rheological properties varied depending on type and amount of additive(s).

PL

W artykule przedstawiono badania wpływu pumeksu, trasu oraz mączki chalcedonitowej na właściwości reologiczne zaczynów cementowych. Cement zastępowano każdym z dodatków w ilości 10% lub 20% oraz kombinacją pumeksu lub trasu z mączką chalcedonitową w ilości po 5% i 10% każdym z nich. Głównym celem pracy była ocena współdziałania mączki chalcedonitowej z wybranymi dodatkami mineralnymi w zakresie właściwości reologicznych oraz porównanie rezultatów badań z wynikami uzyskanymi dla zaczynów modyfikowanych tylko jednym z dodatków. W każdym z przypadków dodatek lub kombinacja dodatków wprowadzone do zaczynu wpłynęły na zmniejszenie rozpływu, w porównaniu do wyników uzyskanych dla zaczynu bez dodatku(ów). Właściwości reologiczne były zróżnicowane w zależności od rodzaju i ilości dodatku(ów).

11

Ocena wpływu korozji węglanowej na stwardniałe zaczyny cementowe uszczelniające otwory przeznaczone do sekwestracji CO2

Kut Łukasz

Nafta-Gaz

|

2023

|

R. 79, nr 1

44--51

PL

Zanieczyszczenie środowiska oraz wzrost emisji dwutlenku węgla do atmosfery stanowią obecnie główne problemy dotyczące nie tylko gospodarki światowej, ale w szczególności krajowej. Istnieje wiele źródeł zanieczyszczeń, jednak w naszym kraju jako główne wymienia się elektrownie, w których wytwarzanie energii odbywa się dzięki paliwom kopalnym, co prowadzi do wysokiej emisyjności CO2. Obecnie głównym aspektem jest nie tylko ograniczenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery, ale i możliwość jego skutecznego wychwytywania i trwałego magazynowania. Jedną z możliwości jest wykorzystanie do składowania CO2 wyeksploatowanych złóż ropy i gazu oraz poziomów solankowych. Przemysł naftowy w naszym kraju do uszczelniania kolumny rur okładzinowych stosuje konwencjonalne zaczyny cementowe na bazie cementu portlandzkiego lub wiertniczego „G” wraz z innymi dodatkami lub/i domieszkami regulującymi parametry zaczynów i kamieni cementowych. Powszechnie używane zaczyny cementowe pod wpływem rozpuszczonego w wodzie CO2 mogą ulegać tzw. korozji węglanowej. Działanie dwutlenku węgla w stwardniałym zaczynie polega na wyługowywaniu z matrycy cementowej związków wapnia: najpierw portlandytu (Ca(OH)2), a następnie uwodnionych glinianów i krzemianów wapniowych. Tworzący się w tych reakcjach kwaśny węglan wapniowy jest łatwo rozpuszczalny i ulega wymywaniu ze stwardniałego zaczynu cementowego. Przy wysokim stężeniu CO2 zachodzą dalsze niekorzystne reakcje chemiczne rozkładu uwodnionych glinianów wapniowych i fazy CSH. Celem badań laboratoryjnych była analiza wpływu korozji węglanowej na zmianę parametrów technologicznych stwardniałego zaczynu w funkcji czasu jego sezonowania. Badaniom laboratoryjnym poddano stwardniałe zaczyny cementowe wykonane z receptur powszechnie stosowanych w krajowym przemyśle naftowym podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych w temperaturach od 60°C do 80°C. Badania prowadzono na zaczynach cementowo-lateksowych. Próbki stwardniałego zaczynu cementowego powstałe po utwardzeniu zaczynów przechowywane były w środowisku wodnym nasyconym CO2 w ustalonych warunkach ciśnienia i temperatury. Próbki stwardniałego zaczynu okresowo badano. Analizowany był wpływ dwutlenku węgla na zmiany parametrów mechanicznych stwardniałego zaczynu w funkcji czasu jego sezonowania. Przeprowadzone wstępne badania oraz otrzymane wyniki pokazały wpływ korozji węglanowej na zmiany parametrów mechanicznych stwardniałego zaczynu cementowego oraz pokazały możliwość zastosowania wyeksploatowanych otworów wiertniczych do ewentualnego magazynowania dwutlenku węgla. Z wybranych zaczynów cementowych sporządzono próbki stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 h w ustalonej temperaturze i ciśnieniu (warunki otworopodobne). Otrzymane próbki stwardniałego zaczynu cementowego poddano badaniu: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych.

EN

Environmental pollution and the increase in carbon dioxide emissions into the atmosphere are currently the main problems affecting not only the global economy, but especially the domestic one. There are many sources of pollution, however, in our country, the main ones are power plants, in which we obtain energy due to fossil fuels, which leads to high CO2 emissions. Currently, the main aspect is not only the reduction of carbon dioxide emissions into the atmosphere, but also the possibility of its effective capture and permanent storage. One of the possibilities is the use of depleted oil and gas deposits and aquifers for CO2 storage. The oil industry in our country uses conventional cement slurries based on Portland cement or “G” drilling cement together with other additives and/or admixtures regulating the parameters of cement slurries and stones to seal the column of casing. Commonly used cement slurries under the influence of CO2 dissolved in water may undergo the so-called “carbonate corrosion”. The action of carbon dioxide in the hardened cement slurry is based on leaching calcium compounds from the cement matrix: first, Ca(OH)2 portlandite, and then hydrated aluminates and calcium silicates. The calcium bicarbonate formed in these reactions is easily soluble and is washed out of the hardened cement slurry. At high CO2 concentrations, further unfavorable chemical reactions of the decomposition of the hydrated calcium aluminates and the CSH phase take place. The aim of the laboratory tests was to analyze the influence of carbonate corrosion on the change of technological parameters of hardened cement slurry over time. Recipes commonly used in the petroleum industry for sealing casing columns at temperatures from 60 to 80°C were tested in the laboratory. The research was carried out on cement-latex slurries. Hardened cement slurry formed after the hardening of the slurries were stored in a CO2-saturated water environment under set conditions of pressure and temperature. Hardened cement slurry samples were tested periodically. The influence of carbon dioxide on changes in mechanical parameters of hardened cement slurry over time was analyzed. The conducted tests and the results obtained have shown the influence of carbonate corrosion on changes in the mechanical parameters of hardened cement slurry and the possibility of their use in depleted oil and gas deposits intended for carbon dioxide storage. Hardened cement slurry samples were prepared from selected cement slurries. Cement slurries were bonded for 48 hours at the set temperature and pressure (borehole-like conditions). The obtained hardened cement slurry samples were tested: compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes.

12

Badania zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2023

|

R. 79, nr 4

244--251

PL

Prezentowany artykuł omawia zagadnienia dotyczące technologii zaczynów cementowych proponowanych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów. Do badań laboratoryjnych wytypowano dziesięć receptur zaczynów zawierających różne dodatki i domieszki (m.in. nanomateriały, tj. nano-SiO2, nano-Al2O3, lateksy, polimery wielkocząsteczkowe). Badania receptur prowadzono w temperaturze 60°C pod ciśnieniem 25 MPa, stosując w składach zaczynów domieszkę odpieniającą, upłynniającą, antyfiltracyjną oraz opóźniacz wiązania. Badania wykonywano na dwóch rodzajach cementów: portlandzkim CEM I 42,5 oraz wiertniczym klasy G. Określano parametry technologiczne świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych, badając: gęstość, odstój wody (wolną wodę), reologię, czasy gęstnienia, a także wytrzymałość na ściskanie, porowatość oraz szczelność rdzeni cementowych względem wodoru. Płynne zaczyny cementowe posiadały prawidłowe parametry technologiczne (były dobrze przetłaczalne w warunkach HPHT, a ich gęstości wynosiły 1,80–1,91 g/cm3 ). Wytrzymałości na ściskanie stwardniałych zaczynów cementowych po okresie od 2 dni do 28 dni hydratacji, zwłaszcza w przypadku próbek z dodatkiem nanokomponentów, przyjmowały bardzo wysokie wartości (po 28 dniach przekraczając 40 MPa). Próbki kamieni cementowych posiadały bardzo niską zawartość porów kapilarnych, co ogranicza możliwość tworzenia się kanalików w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. W większości próbek pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowiły zdecydowaną większość (powyżej 95–97%) ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej. Najkorzystniejsze parametry technologiczne uzyskano w przypadku próbek zawierających nano-SiO2 (nanokrzemionkę), a optymalny współczynnik wodno-cementowy dla takich zaczynów kształtował się na poziomie około 0,46–0,48 – w zależności od rodzaju zastosowanego cementu. Najniższe wartości przenikalności dla wodoru zanotowano dla receptur zawierających nanokrzemionkę (nano-SiO2). Receptury o najlepszych parametrach technologicznych, zawierające nanokomponenty (po wykonaniu szczegółowych testów), będą mogły znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania rur okładzinowych w otworach wierconych w celu magazynowania wodoru.

EN

The article presents issues related to the technology of cement slurries for sealing casing pipes in underground hydrogen storage facilities in depleted hydrocarbon reservoirs. Ten recipes of slurries containing various ingredients (including nanomaterials, i.e. nanoSiO2, nano-Al2O3, latexes, high-molecular polymers) were selected for laboratory tests. The tests were carried out at a temperature of 60°C and a pressure of 25 MPa, using defoaming, fluidizing, antifiltration admixtures and setting time retardant in the slurry compositions. The tests were carried out on two types of cement: Portland CEM I 42.5 and class G drilling cement. Technological parameters of fresh and hardened cement slurries were determined by examining the following: density, water retention (free water), rheology, thickening times as well as compressive strength, porosity and hydrogen tightness of cement cores. The liquid cement slurries had the correct technological parameters (they were well pumpable under HPHT conditions and their densities ranged from 1.80–1.91 g/cm3 ). The compressive strength of cement stones in the period from 2 days to 28 days of hydration, especially for samples with the addition of nanocomponents, was very high (after 28 days exceeding 40 MPa). The samples of cement stones had a very low content of capillary pores, which limits the possibility of forming channels in the cement sheath of the borehole. For most samples, the smallest pores (below 100 nm) accounted for the vast majority (over 95–97%) of the total number of pores in the cement matrix. The most favorable technological parameters were obtained for samples containing nano-SiO2 (nanosilica) and the optimal water-cement ratio for such slurries was around 0.46–0.48, depending on the type of cement used. The lowest hydrogen permeability values were obtained for formulations containing nanosilica (nano-SiO2). Recipes offering the best technological parameters, containing nanocomponents (after detailed tests), may be used when sealing casing pipes in holes drilled for hydrogen storage.

13

Badania nad opracowaniem zaczynów cementowych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin

Nafta-Gaz

|

2023

|

R. 79, nr 2

96--105

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań nad opracowaniem zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Receptury cementowe opracowane zostały w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatury 45°C i ciśnienia 10 MPa. W badanych zaczynach cementowych jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G. Zaczyny cementowe sporządzano na solance o pełnym nasyceniu o gęstości 1,2 g/cm3 ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający i obniżający filtrację. Pozostałe składniki: mikrocement, gips modelowy oraz cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. W przypadku każdego zaczynu cementowego wykonywano badania parametrów technologicznych, takich jak: właściwości reologiczne, gęstość, rozlewność, odstój wody oraz czas gęstnienia zaczynu. Przeprowadzano również badania wytrzymałości na ściskanie po 2 dniach oraz po 3, 5 i 8 miesiącach, a także pomiar porowatości stwardniałych zaczynów cementowych po 8 miesiącach deponowania we w pełni nasyconej solance. Na opracowanych zaczynach wykonano również badanie szczelności stwardniałego zaczynu cementowego dla wodoru. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1900 kg/m3 do 1910 kg/m3 . Wszystkie zbadane stwardniałe zaczyny cementowe charakteryzowały się zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Udział porów o średnicy powyżej 10 000 nm wyniósł od 1,9% do 2,5% ilości wszystkich porów. Natomiast udział porów o średnicy poniżej 100 nm w całej matrycy stwardniałego zaczynu cementowego wyniósł od 95,9% do 96,9%. Średni strumień objętości przepływu wodoru przez stwardniały zaczyn cementowy miał wartość od 0,686 cm3 /min do 6,85 cm3 /min. Dla ustabilizowanych wartości strumienia objętości przepływu obliczono współczynniki przepuszczalności. Średnie wartości współczynnika przepuszczalności dla stwardniałego zaczynu cementowego wynosiły od 0,0000281 mD do 0,000284 mD, co świadczy o dobrej szczelności uzyskanych stwardniałych zaczynów cementowych.

EN

The article presents the results of research on the development of cement slurries intended for the underground storage of hydrogen in salt caverns. Laboratory tests of cement slurries were carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out at a temperature of 45°C and a pressure range of 10 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G drilling cement. The cement slurries were prepared on fully saturated brine with a density of 1.2 g/cm3 due to the direct presence of salt in the well. The following agents were added to the brine: defoamers, liquefying agents and fluid loss control. The remaining ingredients –:microcement, model gypsum and cement – were mixed together and then added to the mixing water. The cement slurries were tested for rheological parameters, density, free water, fluidity, filtration and thickening time. Compressive strength tests were carried out after 2 days and 3, 5 and 8 months as well as measurement of porosity of hardened cement slurry after 8 months of depositing fully saturated brine. For 3 compositions, a test of the tightness of the cement stone for hydrogen was also carried out. The developed cement slurries were characterised by good rheological parameters and no free water. The densities of tested slurries ranged from 1900 kg/m3 to 1910 kg/m3 . All tested hardened cement slurries featured a compact microstructure with a low content of macropores. The share of pores with a diameter above 10 000 nm ranged from 1.9 to 2.5% of all pores. On the other hand, pores with a diameter below 100 nm in the entire cement stone matrix ranged from 95.9 to 96.9%. The average hydrogen volumetric flow rate through the cement stone ranged from 0.686 cm3 /min do 6.85 cm3 /min. Permeability coefficients were calculated for stabilised values of flow rate. The average value of the permeability coefficient for cement stone ranged from 0.0000281 mD to 0.000284 mD, which proves that the obtained hardened cement slurries are sufficiently tight.

14

Deformacje kompozytów cementowych w wysokich temperaturach

Plechawski Stanisław

Budownictwo i Prawo

|

2023

|

R. 26, nr 3

25--30

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia wpływu wysokich temperatur na deformacje kompozytów cementowych: beton, zaczyn i zaprawę. Jest to fragment szerzej prowadzonych badań własnych oddziaływania temperatur pożarowych na wybrane parametry struktury betonów, w których za wiodący temat uznano odporność na pękanie wyrażoną poprzez krytyczny współczynnik intensywności naprężeń KIC . Wykonano też inne, niezbędne badania kompozytów cementowych m.in. wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie przy zginaniu i przez rozłupywanie, dynamicznego modułu sprężystości, a także badania odkształceń próbek betonu, zaczynu i zaprawy, zmiany ich objętości oraz ubytki masy, jak również obserwacje i badania SEM. Składy badanych kompozytów nie zawierały żadnych dodatków ani domieszek z uwagi na wiarygodność badań pod wpływem wysokich temperatur. Dodatkowe składniki w zależności od ich rodzaju, proporcji, pochodzenia itp. mogą wpływać na niejednoznaczność otrzymanych wyników. Publikowane przez różnych autorów badania nie zawsze są jednoznaczne i miarodajne dla wszystkich rodzajów betonu. Badania takie stanowią podstawę do oceny bezpieczeństwa, trwałości i niezawodności konstrukcji po pożarze.

EN

The article presents the issues of the impact of high temperatures on the deformation of cement composites: concrete, paste and mortar. It is a fragment of the widely conducted own research on the impact of fire temperatures on selected parameters of concrete structure, in which crack resistance expressed by the critical stress intensity factor KIC was recognized as the leading. Other necessary tests of cement composites were also carried out, including compressive strength, tensile strength at bending and splitting, dynamic modulus of elasticity, as well as testing deformations of concrete, paste and mortar samples, changes in their volume and weight loss, as well as SEM observations and tests. The compositions of the tested composites did not contain any additions or admixtures due to the reliability of the tests under the influence of high temperatures. Additional ingredients depending on their type, proportion, origin, etc. may affect the ambiguity of the results obtained. Studies published by various authors are not always unambiguous and authoritative for all types of concrete. Such studies are the basis for assessing the safety, durability and reliability of structures after a fire.

15

Electromagnetic properties of cement paste after microwave pretreatment

Li Yue, Liu Yunze, Jin Caiyun

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2023

|

Vol. 23, no. 3

art. no. e185, 2023

EN

In this paper, the effect of microwave pretreatment on the electromagnetic properties of cement paste was investigated. Four different durations of microwave pretreatment were carried out after the standard conditioning of cement paste specimens for 3 days. Subsequently, the electromagnetic properties of the cement paste were tested, the electromagnetic losses of the specimens were calculated and the changes in the dielectric constants were analyzed. Finally, the mechanism by which microwave pretreatment affects the electromagnetic properties was analyzed based on the pore characteristics and hydration results. The results show that microwave pretreatment can improve the electromagnetic loss as well as the dielectric constant of cement paste specimens, but has no significant effect on the magnetic permeability. With the increase of microwave pretreatment time, the reflection loss, absorption loss, and total loss of electromagnetic waves increase significantly, and the multiple reflection loss decreases. The real part of the dielectric constant, imaginary part, and loss angle tangent all increased. There are two main reasons for the increase in electromagnetic loss and dielectric properties of the specimens after microwave pretreatment. One is the significant increase in the percentage of micropores less than 50 nm in the specimen, which increases the reflection loss and absorption loss of electromagnetic waves. On the other hand, microwave pretreatment significantly increased the degree of hydration of the specimen, making the specimen intermediate electrical properties of the larger proportion of the material phase (such as gel), which in turn increased the electromagnetic loss.In this paper, the effect of microwave pretreatment on the electromagnetic properties of cement paste was investigated. Four different durations of microwave pretreatment were carried out after the standard conditioning of cement paste specimens for 3 days. Subsequently, the electromagnetic properties of the cement paste were tested, the electromagnetic losses of the specimens were calculated and the changes in the dielectric constants were analyzed. Finally, the mechanism by which microwave pretreatment affects the electromagnetic properties was analyzed based on the pore characteristics and hydration results. The results show that microwave pretreatment can improve the electromagnetic loss as well as the dielectric constant of cement paste specimens, but has no significant effect on the magnetic permeability. With the increase of microwave pretreatment time, the reflection loss, absorption loss, and total loss of electromagnetic waves increase significantly, and the multiple reflection loss decreases. The real part of the dielectric constant, imaginary part, and loss angle tangent all increased. There are two main reasons for the increase in electromagnetic loss and dielectric properties of the specimens after microwave pretreatment. One is the significant increase in the percentage of micropores less than 50 nm in the specimen, which increases the reflection loss and absorption loss of electromagnetic waves. On the other hand, microwave pretreatment significantly increased the degree of hydration of the specimen, making the specimen intermediate electrical properties of the larger proportion of the material phase (such as gel), which in turn increased the electromagnetic loss.

16

Effect of water-cement ratio on the electromagnetic shielding performance of C3S paste cured long-term

Liu Yunze, Li Yue, Jin Caiyun, Mu Jinlei

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2023

|

Vol. 23, no. 2

art. no. e83, 2023

EN

This paper investigated the electromagnetic shielding properties and the mechanisms of tricalcium silicate (C3S) paste with three water-cement (W/C) ratios after long-term curing. The C3S pastes with three W/C ratios were tested by XRD and other tests for the qualitative and quantitative analysis of the individual phases. The electromagnetic shielding properties and electromagnetic parameters of the specimens were obtained using the waveguide method. Finally, the microscopic mechanism of the variation of electromagnetic shielding properties of C3S paste affected by the W/C ratio was dissected based on the individual phases. The results show that the volume fraction of pore, calcium silicate hydrate (C-S-H) gel, calcium hydroxide (CH), and calcite (CaCO3) in the specimen increases with the rise of the W/C ratio, and the unhydrated C3S decreases; the electromagnetic shielding of the paste specimen increases; the complex relative permittivity gradually increases. The mechanism of the W/C ratio affecting the electromagnetic shielding performance of C3S paste is that, on the one hand, both the volume fraction of C-S-H and the relative permittivity in the solid phase, which have the greatest influence on the electromagnetic shielding performance, gradually increase with the increase of W/C ratio. On the other hand, as the W/C ratio increases, the volume fraction and area fraction of the mesopores in the specimen increase, which increases the internal loss of electromagnetic waves.

17

Wstępne badania nad opracowaniem zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 2

120--127

PL

Artykuł przedstawia wyniki wstępnych badań nad opracowaniem zaczynów cementowych nadających się do uszczelniania rur okładzinowych w odwiertach udostępniających kawerny solne przeznaczone do podziemnego magazynowania wodoru. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB, w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono dla temperatur w zakresie 25–60°C i ciśnień 10–30 MPa. W badanych zaczynach cementowych jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G. Zaczyny cementowe sporządzano na solance o pełnym nasyceniu, o gęstości 1,2 g/cm3 , ze względu na bezpośrednią obecność soli w otworze. Do solanki dodawano kolejno środki: odpieniający, upłynniający, przyspieszający wiązanie i obniżający filtrację. Pozostałe składniki: mikrocement, gips modelowy oraz cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Dla każdego zaczynu cementowego wykonywano badania parametrów reologicznych, określano gęstość i rozlewność. Mierzono odstój wody i czas gęstnienia zaczynu. Wykonywano również badania wytrzymałości na ściskanie po 2, 7, 14 i 28 dniach oraz pomiar porowatości kamieni cementowych po 28 dniach. Po przeanalizowaniu wyników badań porowatości kamieni cementowych oraz pozostałych parametrów zaczynów i kamieni cementowych, do badania przepuszczalności kamienia cementowego dla wodoru wytypowano 1 próbkę mającą najkorzystniejsze parametry. Opracowane zaczyny cementowe charakteryzowały się dobrymi parametrami reologicznymi oraz zerowym odstojem wody. Gęstości zaczynów cementowych wahały się w przedziale od 1,91 g/cm3 do 1,93 g/cm3 . Wszystkie badane próbki kamieni cementowych wraz z upływem czasu odznaczały się wzrostem parametrów mechanicznych. Rozkład porów kamieni cementowych charakteryzował się niewielką ilością porów o średnicy powyżej 100 nm, co świadczy o ich zwartej strukturze. Przedstawione badania pozwolą zdobyć wiedzę na temat zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania rur w warunkach podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Wykonane testy stanowią wstęp do dalszych badań nad opracowaniem optymalnych rodzajów zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych.

EN

The article presents the results of preliminary research on the development of cement slurries intended for the underground storage of hydrogen in salt caverns. Laboratory tests of cement slurries were carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out in the temperature range of 25–60°C and the pressure range of 10–30 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G drilling cement. Cement slurries were prepared using fully saturated brine with a density of 1.2 g/cm3 due to the direct presence of salt in the wellbore. The following agents were added to the brine: defoamers, liquefying agents, accelerating setting and fluid loss control. The remaining ingredients: microcement, model gypsum and cement were mixed together and then added to the mixing water. The cement slurries were tested for density, free water, fluidity, rheological parameters, filtration and thickening time. Compressive strength tests were carried out after 2, 7, 14 and 28 days, while porosity after 28 days. The developed cement slurries were characterized by good rheological parameters and no free water. The densities of tested slurries ranged from 1,91 g/cm3 to 1,93 g/cm3 . All the tested samples of cement stones showed an increase in mechanical parameters with time. The pore distribution of cement stones was characterized by a small number of pores with diameters greater than 100 nm, which proves their compact structure. This research will provide knowledge on cement slurries intended for underground hydrogen storage in salt caverns and constitute initial research in this direction.

18

Wpływ wybranych dodatków lekkich na zmianę parametrów technologicznych zaczynu

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 6

426--434

PL

W celu obniżenia gęstości zaczynów przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach obniżonego ciśnienia złożowego czy w strefach skał słabo zwięzłych stosuje się lekkie dodatki, takie jak mikrosfera bądź perlit. Użycie tego rodzaju materiałów pozwala na zredukowanie wartości ciśnienia hydrostatycznego i tym samym zapobiega ucieczce cementu w strefy słabo zwięzłe. Dodatkowo zaczyny o obniżonej gęstości mogą być stosowane w przypadku konieczności tłoczenia cementu w przestrzeni pozarurowej na dużą wysokość. Jednak wykorzystanie dodatków redukujących gęstość zaczynu nie pozostaje bez znaczenia dla parametrów technologicznych zarówno świeżego, jak i stwardniałego zaczynu. W przypadku płynnego zaczynu obecność lekkich frakcji powoduje zmianę parametrów reologicznych zaczynu, wzrost wartości filtracji bądź też odstoju wody. Natomiast analizując parametry stwardniałego zaczynu cementowego, należy się spodziewać obniżenia wartości wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych itp. Z uwagi na konieczność stosowania w recepturach zaczynów lekkich dodatków redukujących gęstość w niniejszej publikacji omówiono to zagadnienie na podstawie przeprowadzonych prac badawczych. W artykule przedstawiono wyniki badań zaczynów zawierających 4 różne dodatki (mikrosferę glinokrzemianową dotychczas stosowaną, mikrosferę glinokrzemianową nowej generacji CSF K, mikrosferę szklaną oraz perlit filtracyjny E100F). Dodatki lekkie stosowano w ilości 15% w stosunku do masy cementu. Przeprowadzono badania dla zaczynu kontrolnego (bez dodatków lekkich). Zaczyn ten zawierał w swoim składzie środki niezbędne do kontrolowania parametrów decydujących o efektywności uszczelniania otworu wiertniczego. Następnie receptura kontrolna była modyfikowana dodatkiem lekkich frakcji. Przeprowadzono badania laboratoryjne parametrów technologicznych zarówno świeżych, jak i stwardniałych zaczynów cementowych. Na podstawie uzyskanych wyników określono wpływ badanych lekkich dodatków na parametry świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych.

EN

Light additives such as microsphere or perlite are used to reduce the density of slurries intended for sealing casing columns in conditions of reduced deposit pressure or in the zones of weakly concise rocks. The use of this type of materials allows to reduce the value of hydrostatic pressure and thus prevents the cement slurry from escaping into weakly consolidated zones. In addition, lightweight cement slurries can be used for pressing the cement slurry to a great height. However, the use of additives reducing the density of the cement slurry changes the technological parameters of both fresh and hardened cement slurry. In the case of a liquid cement slurry, the presence of light fractions changes the rheological parameters of the slurry, increases the filtration value or free water. On the other hand, when analyzing the parameters of the hardened cement slurry, a decrease in the compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes and others should be expected. Due to the necessity to use light additives reducing the density in the cement slurry formulas, this publication discusses this issue on the basis of the conducted research. The article presents the results of tests of slurries containing 4 different additives (the previously used aluminosilicate microsphere, the new generation CSF K aluminosilicate microsphere, glass microsphere and E100F filter perlite). Light additives were used in the amount of 15% in relation to the weight of the cement. Tests were carried out for the control cement slurry (without light additives). This slurry contained in its composition the additives necessary to control the parameters determining the effectiveness of sealing the borehole. Then the control recipe was modified with the addition of light fractions. Laboratory tests of technological parameters of both fresh and hardened cement slurries were carried out. On the basis of the obtained results, the influence of the tested light additives on the parameters of fresh and hardened cement slurries was determined.

19

Doskonalenie zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych w celu poprawy ich parametrów mechanicznych

Kut Łukasz, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 2

110--119

PL

Głęboki otwór wiertniczy podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymaga użycia specjalnie opracowanego zaczynu cementowego przystosowanego do specyficznych warunków panujących na dnie, tj. temperatury często przekraczającej 100°C oraz ciśnienia złożowego powyżej 60 MPa. Tak trudne warunki otworowe niejednokrotnie przysparzały wielu problemów w czasie opracowywania odpowiednich składów zaczynów cementowych wykorzystywanych podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Firmy wiertnicze wykonują coraz głębsze i bardziej skomplikowane otwory, przekraczające coraz częściej 3500 m, które podczas zabiegów cementowania wymagają zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów uszczelniających. Jednym z podstawowych problemów podczas zabiegów cementacyjnych w otworach o znacznej głębokości jest zapewnienie długiego czasu przetłaczania zaczynu cementowego, który ponadto powinien charakteryzować się dobrymi właściwościami reologicznymi, niewielkim lub zerowym odstojem wody oraz jak najniższą filtracją. Należy zatem dobierać odpowiednie domieszki opóźniające, odporne na działanie wysokich temperatur, oraz dodatki zapewniające właściwe parametry technologiczne świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Wraz ze wzrostem głębokości otworu wiertniczego rosną również parametry ciśnienia i temperatury. W głębokich otworach wierconych poniżej 3500 metrów problem stanowią nie tylko wysoka temperatura i ciśnienie, ale również wody złożowe o różnej mineralizacji, które w dużym stopniu oddziałują na stwardniały zaczyn cementowy. Zaczyny cementowe przeznaczone do dużych głębokości powinny zawierać w swoim składzie dodatki lub/i domieszki: podnoszące odporność termiczną, opóźniające wiązanie, obniżające filtrację oraz poprawiające odporność na korozję chemiczną wywołaną działaniem solanek złożowych. Celem badań laboratoryjnych było doskonalenie obecnych oraz opracowanie innowacyjnych receptur zaczynów cementowych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach o temperaturze dennej 130°C – zarówno naftowych, jak i geotermalnych – w rejonie Karpat. Podczas realizacji tematu wykonywano badania laboratoryjne świeżych oraz stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe zarabiano wodą wodociągową z dodatkiem chlorku potasu w ilości 3%, 6% i 10% bwow (w stosunku do ilości wody). Do wody zarobowej dodawano kolejno środki odpieniające, regulujące czas wiązania i gęstnienia, upłynniające i obniżające filtrację. Zaczyny cementowe sporządzono z dodatkiem lateksu w ilości 1–1,2% bwoc (w stosunku do masy suchego cementu). Dla poprawy parametrów mechanicznych zastosowano również dodatek nanorurek węglowych oraz grafenu. Pozostałe składniki – mikrosilikę, hematyt i cement – mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Wszystkie zaczyny cementowe sporządzano na bazie cementu wiertniczego G (PN-EN ISO 10426-2). Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne, takie jak: gęstość, rozlewność, odczyty z aparatu Fann, odstój wody, filtracja, czas gęstnienia. Z opracowanych zaczynów cementowych wybrano te o najlepszych parametrach reologicznych, następnie sporządzono z nich próbki kamieni cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 h w środowisku wysokiej temperatury i ciśnienia (warunki otworopodobne). Otrzymane kamienie cementowe poddano badaniom: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych, porowatości.

EN

When sealing a casing string, a deep borehole requires the use of a specially developed cement slurry adapted to the specific conditions at its bottom, i.e. temperature often exceeding 100°C and reservoir pressure above 60 MPa. Such difficult downhole conditions often caused many problems in the development of appropriate cement slurry compositions used for sealing casing strings. Drilling companies make deeper and more complicated boreholes, more and more often exceeding 3500 m, which during cementing procedures require the use of specially developed formulas of sealing slurries. During cementation procedures at boreholes of considerable depth, a serious problem is to ensure a long conveying time of the cement slurry, which, moreover, should be characterized by good rheological properties, little or no free water and the lowest possible filtration. Therefore, appropriate retardants that are resistant to high temperatures and additives ensuring the appropriate technological parameters of the cement slurry and stone should be selected. As the depth of the borehole increases, the pressure parameters and temperature also increase. Significant depths exceeding 3500 m are associated not only with high temperatures and pressures, but also with the presence of reservoir waters of various mineralization, which greatly affect the hardened cement slurry. Cement slurries intended for great depths should contain additives increasing thermal resistance, delaying setting, lowering filtration and improving resistance to chemical corrosion caused by the action of reservoir brines. The aim of the laboratory research was to improve current and to develop innovative formulas of cement slurries for sealing oil and geothermal boreholes with a bottomhole temperature of 130°C in the Carpathian region. Laboratory tests were carried out on both cement slurries and cement stones obtained from them. The cement slurries were made using tap water with the addition of potassium chloride in the amount of 3, 6 and 10% bwow (in relation to the amount of water). The defoaming agent was successively added to the mixing water, regulating the setting and thickening time, liquefying and reducing filtration. Cement slurries were made with the addition of 1–1.2% latex bwoc (in relation to the weight of dry cement). To improve the mechanical parameters, the addition of carbon nanotubes and graphene was also used. The other ingredients: microsilica, hematite and cement were mixed together and then added to the mixing water. All cement slurries were prepared on the basis of drilling cement G. After all components had been combined, the cement slurry was mixed for 30 minutes, followed by laboratory measurements such as: density, flow, readings from the Fann apparatus, water retention, filtration, thickening time. From among the developed cement slurries, those with the best rheological parameters were selected, then samples of cement stones were prepared from them and hardened for 48 hours in an environment of high temperature and pressure (borehole-like conditions). The obtained cement stones were tested for: compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes, porosity.

20

Badania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych o obniżonej gęstości przeznaczonych do uszczelniania otworów wiertniczych

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 3

197--207

PL

Prezentowany artykuł jest rozwinięciem zagadnień z zakresu technologii zaczynów uszczelniających dotyczących tzw. procesów żelowania (tj. narastania w zaczynach cementowych statycznej wytrzymałości strukturalnej w trakcie procesu wiązania). W zdecy- dowanej większości dotychczasowych publikacji w czasopismach naukowych i branżowych omawiano jedynie badania procesów żelowania zaczynów o tzw. normalnej gęstości, wynoszącej około 1800–1900 kg/m3 . W niniejszym artykule skoncentrowano się na zagadnieniu narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych, których gęstość kształtuje się na poziomie 1450–1600 kg/m3 . Analizując badania prowadzone na świecie należy podkreślić, że w procesie przeciwdziałania ewentualnym ekshalacjom gazowym z przestrzeni pierścieniowej tempo żelowania zaczynu cementowego odgrywa niezwykle istotną rolę. Dotyczy to zarówno zaczynów o normalnej, jak i o obniżonej gęstości. Po zabiegu wytłoczenia zaczynu poza rury okładzinowe znajduje się on początkowo w stanie płynnym i działa na złoże jako ciecz (poprzez wytworzone ciśnienie hydrostatyczne). Następnie po określonym czasie w zaczynie następuje budowa statycznej wytrzymałości strukturalnej SGS (ang. static gel strength), co powoduje stopniowy spadek ciśnienia hydrostatycznego. Proces ten trwa aż do momentu związania cementu. W Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym opracowano szereg receptur innowacyjnych zaczynów cementowych o obniżonej gęstości, do których wprowadzono dodatki nanokomponentów oraz polimeru wielkocząsteczkowego. Gęstość zaczynów obniżano za pomocą dodatku różnych koncentracji mikrosfer. Receptury lekkich zaczynów, które zawierały w odpowiedniej koncentracji wielkocząsteczkowy polimer o symbolu GS, a także te zawierające nanokomponenty w postaci n-SiO2 i n-Al2O3 cechowały się bardzo korzystnym przebiegiem krzywej żelowania (tj. szybkim narastaniem statycznej wytrzymałości strukturalnej). Lekkie zaczyny cementowe o najkorzystniejszych parametrach, tj. krótkich czasach przejścia TT (ang. transition time), mogą znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych – zwłaszcza w warstwach słabo zwięzłych lub horyzontach o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego.

EN

The presented article is an extension of the issues in the field of sealing slurries technology related to the so-called gelling processes (i.e. the build-up of static structural strength in cement slurries during the setting process). The vast majority of papers published in scientific and trade journals discussed only the study of the gelling of slurries with the so-called “normal” density of around 1800–1900 kg/m3 . This article focuses on the issue of the build-up of static structural strength of cement slurries, the densities of which range from 1450–1600 kg/m3 . Based on research conducted around the world, it can be concluded that the rate of gelling of the cement slurry plays an important role in the process of preventing possible gas exhalations from the annular space. This is the case with both normal and reduced density of slurry. The initially liquid cement slurry, when pumped out of the casing, acts as a liquid, creating a certain hydrostatic pressure on the deposit. Then, after some time, the period of building the static gel strength (SGS) starts, causing a gradual drop in hydrostatic pressure. This process continues until the cement sets. The Oil and Gas Institute – National Research Institute has developed a number of innovative recipes for cement slurries with reduced density, with added nanocomponent and high-molecular weight polymer additives. The densities of the slurries were lowered with the addition of various amounts of microspheres. The formulas of light slurries containing the high-molecular weight polymer marked as GS in an appropriate concentration and those containing n-SiO2 and n-Al2O3 nanocomponents were characterized by a very advantageous course of the gelation plot (i.e. rapid static build-up of gel strength). Light cement slurries with the most advantageous parameters, i.e. short Transition Times (TT), can be used in the process of cementing casing columns in boreholes, especially in weakly compact layers or horizons with a reduced formation pressure gradient.