Чем опасна высокая фильтрация цементных растворов

Добыча нефти и газа

нефть, газ, добыча нефти, бурение, переработка нефти

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА И КАМНЯ

Свойства цементного раствора зависят от многих факторов, таких как химико-минеральный состав, качество и количество наполнителей, водоце-ментное отношение, количество и природа химических наполнителей, ре­жим перемешивания, температура, давление и др.

Основные свойства цементного раствора применительно к скважинам следующие: водосодержание, подвижность (растекаемость), плотность, по­казатель фильтрации, динамическое сопротивление сдвигу, структурная вязкость, седиментационная устойчивость, время загустевания, сроки схва­тывания и некоторые другие. К свойствам цементного камня следует отне­сти механическую прочность, проницаемость, объемные изменения, корро­зионную устойчивость в агрессивных средах и модуль упругости.

Свойства цементных растворов и камня могут быть изменены введе­нием наполнителей, активных добавок или обработкой химическими реа­гентами.

Водосодержание. Водосодержание характеризуется водоцементным отношением, т.е. отношением массы воды к массе твердого тампонажного материала. Для стандартных тампонажных портландцементов с удельной поверхностью 2500 — 3500 см2/г водоцементное отношение может колебать­ся в пределах от 0,5 до 0,6.

Растекаемость. Важное свойство цементного раствора — подвижность, которую в начальный момент после затворения определяют с помощью усеченного конуса АзНИИ путем отсчета среднего диаметра расплывшего­ся раствора в двух направлениях (наибольшее и наименьшее).

Плотность. Одна из важных характеристик цементного раствора — плотность. Она зависит от плотности сухих тампонажных материалов и жидкости затворения, а также от водоцементного отношения. Это практи­чески единственный показатель качества раствора, контролируемый в про­цессе его приготовления и транспортирования в скважину.

Для стандартного цементного раствора при В/Ц = 0,5 (в соответствии с требованиями ГОСТ 1581—85) его расчетная плотность составляет 1,81 — 1,85 ã/ñì3.

В промысловых условиях ее чаще всего определяют с помощью арео­метров АГ-1 и АГ-2 в каждой точке затворения независимо от наличия станции контроля цементирования СКЦ, которая обеспечивает автоматиче­скую регистрацию и запись средней плотности закачиваемого в скважину раствора. Непрерывный контроль плотности тампонажного раствора дости­гается применением радиоактивных плотномеров.

Показатель фильтрации. Под воздействием перепада давления в це­ментном растворе происходит процесс водоотделения, который называется фильтрацией. Скорость фильтрации в значительной мере зависит от при­нятого В/Ц: она обратно пропорциональна квадрату удельной поверхности цемента (тонкости помола), количеству наполнителя и вязкости жидкой фазы цементного раствора.

Вследствие высокой фильтрации цементный раствор становится вяз­ким, труднопрокачиваемым, сроки схватывания его ускоряются, в резуль­тате образования толстых цементных корок возможен прихват обсадной колонны во время ее расхаживания.

Фильтрация цементного раствора может быть определена с помощью специального прибора УВЦ, разработанного во ВНИИКАнефтегазе, или прибора ВМ-6, который применяется для измерения фильтрации бурового раствора при давлении 0,1 МПа (в этом случае говорят о предельной фильтрации за определенное время).

Седиментационная устойчивость. Под седиментационной устойчиво­стью подразумевают способность частиц тампонажного раствора оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести. Этот параметр зависит

от разности плотностей твердой и жидкой фаз тампонажного раствора, микроструктуры порового пространства, вязкости жидкости затворения.

Вследствие сильно развитой межфазной поверхности тампонажные растворы агрегативно неустойчивы. О характере и степени седиментаци-онных перемещений в основной части столба тампонажного раствора с достаточной точностью можно судить по характеру и степени перемеще­ний верхнего уровня твердой составляющей раствора.

При цементировании обсадных колонн в газовых скважинах и сква­жинах с наличием зон АВПД появляется необходимость нормирования се-диментационной устойчивости тампонажных растворов, для повышения которой может быть рекомендован к использованию весь комплекс меро­приятий по снижению показателя фильтрации цементных растворов.

Загустевание. Спустя некоторое время после затворения и механиче­ского перемешивания начинает проявляться способность цементных рас­творов к структурообразованию, которое выражается последовательно в загустевании и схватывании растворов. Загустевание тампонажных раство­ров оценивают консистометром.

Существенно влияют на загустевание цементных растворов природа цемента, тонкость его помола, В/Ц, температура, давление и некоторые другие факторы.

Увеличить время загустевания тампонажных растворов можно, ис­пользуя замедлители процессов структурообразования, качество и количе­ство которых подбирают с учетом конкретных условий скважин (к числу замедлителей относятся ССБ, КМЦ, гипан НТФ, ОЭДФ, ВКК, хромпик и др.).

Сроки схватывания. Возможность применения тампонажных раство­ров в отечественной практике в большинстве случаев определяется срока­ми схватывания, которые зависят от химикоминерального состава цемента, его удельной поверхности, В/Ц, химических реагентов, вводимых в рас­твор, температуры, давления и других факторов.

При прочих равных условиях с повышением удельной поверхности цемента и уменьшением В/Ц сроки схватывания цементного раствора уменьшаются. На их уменьшение температура влияет более существенно, чем давление, а их совместное воздействие еще эффективнее.

Механическая прочность цементного камня. Прочность тампонажного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, растяжению или изгибу. Изготовленные определенной формы образцы цементного камня испытывают на прочность, причем определяют напряжение, соот­ветствующее разрушению образца.

Механическая прочность цементного камня зависит от многих факто­ров, основными из которых являются химико-минеральный состав цемента, В/Ц, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок, условия твердения и др. Существенно влияют на прочность це­ментного камня также температура и давление.

Проницаемость цементного камня. Под проницаемостью цементного камня понимают его способность пропускать через себя жидкости или га­зы при определенном перепаде давления. Для обеспечения надежного раз­деления пластов цементный камень в затрубном пространстве должен иметь минимально возможную проницаемость для пластовых флюидов.

Проницаемость цементного камня изменяется в процессе его тверде­ния и существенно зависит от природы цемента и наполнителей, В/Ц, ус­ловий и времени твердения и т.д.

Источник

Сколько цементной пыли образуется каждый год, почему она так опасна для людей и природы и как фильтровать воздух в силосах, в которых хранится цемент?

«Пыльная работёнка»

Прежде чем говорить о самих силосах, давайте разберёмся с тем, что в них хранится — цементом. Например, знаете ли вы, сколько цементной пыли образуется каждый год на заводах только нашей страны?

Миллионы тонн цемента перевозятся по всем федеральным округам страны и превращаются в товарный бетон и раствор, используемый при строительстве зданий и сооружений, на предприятиях железобетонных изделий (ЖБИ) и бетонных заводах.

Количество потребителей цемента в сотни раз превышает количество производителей. Только в Санкт-Петербурге бетонный раствор предлагают более 80 предприятий, а изделия из железобетона производят около 200 предприятий. Практически все они расположены на селитебных территориях города и фактически перераспределяют пыль цемента по всей жилой территории страны.

Селитебная территория — часть территории населённого пункта, предназначенная для размещения жилой, общественной (общественно-деловой) и рекреационной зон — закон об архитектурной, градостроительной и строительной деятельности в РК

Образование пыли при производстве цемента чрезвычайно велико. Механическая обработка, сушка, обжиг рудных материалов (известь, глина) и добавок (шлаки и зола), перемещение и складирование фабрикатов и готовой продукции — всё это стационарные источники загрязнения атмосферы населённых мест, где расположены цементные заводы.

Произведём нехитрые расчёты. Весовая доля пылевой фракции готового цемента составляет 4%. В 2019 году более 50 цементных заводов страны изготовили почти 60 миллионов тонн цемента.

Получается, что за год в России в окружающую среду было принесено порядка 2,5 миллионов тонн цементной пыли.

Цементные заводы — I категория экологически опасных промышленных объектов

Пагубное влияние выбросов вредных веществ на атмосферу и здоровье населения широко известно и освещается в СМИ и научной печати. От цементной пыли страдают флора, фауна и человек. По этой причине производство цемента входит в I категорию опасных объектов, оказывающих воздействие на окружающую среду.

Профильные предприятия цементной промышленности отнесены к областям применения наилучших доступных технологий (НДТ) и обязаны получать комплексные экологические разрешения на осуществление своей деятельности.

Цементная пыль — скрытая угроза для населения страны

Сухой не слежавшийся цемент по существу сам является пылью, так как максимальный размер его зёрен не превышает 200 мкм. Доля долго витающих частиц (скорость осаждения от 0,2 до 6,0 см/с) в порошке достигает 25%. Поэтому любое осыпание цементного порошка сопровождается облаком пыли.

Рисунок 1. Облако цементной пыли

В результате, проблема цементной пыли в атмосферном воздухе становится общей для городов-производителей и для городов-потребителей цемента. Присутствие цементной пыли в атмосфере селитебных зон городов и посёлков несёт скрытую угрозу для здоровья населения. Она не так очевидна, как раздражающее действие пыли цемента на органы дыхания, глаза и кожу, но действует постоянно и неотвратимо.

Таблица, приведённая ниже, даст общие представления о выбросах цементной пыли на предприятиях.

Таблица 1. Выбросы цементной пыли на производстве

Цементная пыль — концентратор токсичных веществ

Исследованиями последних лет установлено наличие токсичных микропримесей в цементной пыли, удельное содержание которых возрастает с увеличением дисперсности.

Токсичные вещества, содержащиеся в цементной пыли, могут приводить к таким заболеваниям, как поражение ЦНС, почек, печени, органов желудочно-кишечной системы, зрения и слуха. И список далеко не полный!

Для выбросов цементного производства с 2019 года установлены маркерные показатели загрязнения атмосферы. В таблице 2 приведены металлы, вклад соединений которых в общее количество цементной пыли составляет более 1%.

Таблица 2. Содержание токсичных металлов в цементной пыли

Что такое силос и зачем его продувают?

Теперь, обосновав вредность цементной пыли, поговорим о том, где она концентрируется, и как защищать от неё людей и природу.

Итак, цемент на предприятиях по изготовлению бетонного раствора и железобетонных изделий хранится в силосах.

Силос — это ёмкость цилиндрической формы с коническим днищем для хранения сыпучих материалов, таких как цемент, песок, зерно, комбикорм, гранулы и т.п.

Преимуществами использования силосов являются их вертикальное расположение (а, следовательно, значительная экономия площади) и повышение уровня защищённости хранимого сырья от воздействия внешних факторов окружающей среды (сырости, дождя, снега).

Стационарные цементные силосы являются промежуточным складом для загрузки, кратковременного хранения и выгрузки цемента. Объём силоса рассчитывается из условий полного использования загруженного материала в течении трёх суток. По техническим требованиям силосы должны освобождаться от цемента не позже, чем через 7–15 дней после загрузки. Загрузка и выгрузка цемента осуществляются пневмотранспортом.

Заполненный цементом силос из-за высокой слипаемости и гигроскопичности порошка быстро слёживается. Для предупреждения уплотнения порошка цемента в состоянии покоя и обеспечения эффективной работы силосов в качестве временных складов цемента производится периодическая аэрация силосов сжатым воздухом и аэродинамическая продувка перед разгрузкой.

Условия образования пыли при работе пневмотранспорта и аэрации не изучены, и количественная оценка количества образующейся пыли является ориентировочной.

Как перемещается пылевоздушная смесь?

Движение пылевоздушной смеси при загрузке силосов обеспечивается стационарными и передвижными насосами:

Воздух, накачиваемый в систему транспортировки пыли, освобождается от порошка цемента при выходе из транспортного трубопровода и выходит из силоса либо через силосные фильтры, сохраняющие от потерь самые ценные высокодисперсные фракции порошка цемента, либо через аварийные клапаны (при давлении выше 3000–8000 Па). Количество выходящего из силоса воздуха можно определить по производительности насосов, перекачивающих цементный порошок.

Условия работы силосных фильтров при пневмотранспортной загрузке силосов

Пневматическая загрузка силосов позволяет защититься как от потерь цемента (с помощью силосных фильтров), так и от разрушения (с помощью аварийных клапанов сброса давления).

Предлагаемые потребителям силосы для хранения цемента загружаются пневмотранспортом. Смесь воздуха с цементом поступает напрямую в силос в непосредственной близости от тканевого фильтра.

Рисунок 2. Верхняя часть цементного силоса

По расчётам экологов, каждая тонна цемента содержит 30–40 кг пыли.

Как оборудование СовПлим решает проблему цементной пыли?

Для очистки воздуха от цементной пыли компания АО «СовПлим» предлагает несколько типов силосных фильтров.

Первые два типа предназначены для аспирации силосов на бетонных заводах и предприятиях по производству железобетонных изделий.

1. Силосный фильтр серии SFB с регенерацией фильтровальных элементов с помощью продувки импульсами сжатого воздуха (подробнее >>)

Рисунок 3. Силосный фильтр SFB-15

2. Силосный фильтр SFM-20 с регенерацией фильтровальных элементов с помощью механического встряхивания, не требует подвода сжатого воздуха (подробнее >>)

Рисунок 4. Силосный фильтр SFM-20

Пылевоздушный поток циркулирует в силосе, разделяясь на порошковую и аэрозольную части.

Давление воздуха в силосе регулируется сопротивлением фильтра и аварийным клапаном. Заводская установка сопротивления напорных силосных фильтров SFB и SFM равна 200–600 Па, критическое сопротивление в диапазоне 1200–2000 Па. Это позволяет работать фильтрам самотёком в диапазоне до аварийного срабатывания клапана при 2900 Па.

Избыточное давление воздуха в силосе за счёт поступления воздуха в объёмах, превышающих объём силоса, вытесняет воздух со скоростью, зависящей от площади впускного отверстия картриджей силосного фильтра. Номинальная производительность напорных силосных фильтров SFB и SFM по воздуху выше объёма приточного воздуха.

Расчётная скорость движения воздуха перед фильтром и скорость фильтрации через картриджи обеспечивает нормальную работоспособность и задержку более 99% частиц пыли размером от 1 мкм и более.

3. Точечный фильтр SFN с регенерацией фильтровальных элементов с помощью продувки импульсами сжатого воздуха. (подробнее >>)

Рисунок 5. Точечный фильтр SFN

Подведём итоги

Источники:

Данная запись создана на основе статьи заслуженного эколога Российской Федерации, Юрия Степановича Корюкаева, написанной специально для АО «СовПлим».

С источником вы можете ознакомиться по ссылке: скачать (.doc)

Источник

Исследование фильтрационных свойств тампонажных растворов

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 04.05.2018 2018-05-04

Статья просмотрена: 988 раз

Библиографическое описание:

Апаев, А. А. Исследование фильтрационных свойств тампонажных растворов / А. А. Апаев, А. А. Кабдушев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 18 (204). — С. 39-42. — URL: https://moluch.ru/archive/204/50016/ (дата обращения: 13.12.2021).

В данной работе представлено краткое описание важности качественного процесса цементирования. Рассмотрен ряд реагентов, регулирующих фильтрацию цементного раствора.

Цементирование, бурение, водоотделение, цемент, реагент

При строительстве скважин один из основных этапов является крепление скважин. Данный этап состоит из спуска обсадной колонны и дальнейшего его цементирования. Это позволит избежать обрушения скважины, сохранить коллекторские свойства продуктивных пластов и формировать герметичный и долговечный изоляционный комплекс крепи скважин, надежно разобщающий флюидосодержащие пласты [1, c. 5].

Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и особенно газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т. д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления, может быть еще большим. Процесс цементирования скважин — операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.

Широко распространенные в настоящее время технологии первичного вскрытия и разобщения пластов не во всех случаях обеспечивают необходимую сохранность их коллекторских свойств на этапах заканчивания скважин. Особенно эта проблема актуальна применительно к цементированию эксплуатационных колонн, когда загрязнение продуктивных пластов происходит фильтратом тампонажных растворов. Все это приводит к дополнительным затратам на восстановление проницаемости пластов и достижение потенциального дебита скважин, к снижению объема добываемой продукции [3, c. 7].

Наиболее перспективным направлением предупреждения загрязнения продуктивных пластов при их креплении является снижение водоотдачи тампонажных материалов.

Когда тампонажный раствор закачивается в скважину, перепад давления между раствором и пластом приводит к фильтрации. Жидкая фаза цементного раствора проникает в пласт, оставляя позади твердые частицы. В зависимости от относительной важности эрозионных сил во время течения жидкости и сил прилипания, вызванных фильтрацией, твердые частицы могут образовывать внешнюю фильтрационную корку на стенке скважины или остаются во взвешенном состоянии в цементном растворе. Небольшое количество твердых частиц может также проникнуть в более крупные поры пласта, создавая внутреннюю корку [1, c. 15].

Во время первичного цементирования, цементный раствор движется вдоль стенки скважины, и происходит динамический процесс фильтрации. В большинстве случаев, буровой раствор, буферная жидкость сталкиваются с пластом, прежде чем цементный раствор; таким образом, уже произошла некоторая фильтрация. Позже, когда закачка прекращается, происходит статический период фильтрации. Во время вторичного цементирования, процесс фильтрации в основном статический.

Недостаточное количество управления водоотдачи может быть ответственным за неудачи первичного цементирования вследствие чрезмерного увеличения вязкости в суспензии при закачке, закупоривание пор твердыми частицами, или ускоренное снижение давления во время ОЗЦ. Кроме того, проникновение фильтрата цемента в пласт может привести к повреждению и сокращению производства [1, c. 54]. С другой стороны, процесс водоотдачи может иметь некоторые положительные эффекты, такие как повышение прочности сцепления и увеличение давления гидроразрыва. Но они обычно не перевешивают недостатки.

На протяжении многих десятилетий применяется методика добавления специальных реагентов, регулирующих водоотдачу цементного раствора, и в промышленности уже давно признано, что они могут существенно улучшить качество как первичного, так и вторичного цементирования. Различные простые критерии фильтрации уже давно используются, чтобы обеспечить необходимый уровень управления водоотдачей, для достижения хороших результатов цементирования [2, c. 20].

Методика экспериментальных исследовании заключается в проведении опытов с тампонажными растворами с различными добавками, до достижения наименьшей водоотдачи.

На практике, с достаточной точностью и относительно просто, водоотдачу можно оценивать по прибору ВМ-6, который предназначен для измерения показателя фильтрации (ПФ) глинистых растворов.

Условная водоотдача за 30 мин значительно превышает количество воды, содержащейся в испытуемой пробе цементного раствора. У обычных цементных растворов, приготовленных на основе стандартного тампонажного портландцемента, условная водоотдача находится обычно в пределах 300–500 см 3 за 30 мин.

В представленной работе были использованы портландцемент, а также такие добавки, как полиэлектролит ВПК-402 и полиакрилат PAG.

Полиэлектролит ВПК-402 выглядит как бесцветная или с желтым оттенком однородная жидкость без посторонних добавок и примесей, используется в роли коагулянта и диспергатора (для снижения вязкости дисперсных систем на водной основе с высокой концентрацией).

PAG — представляет собой белый или желтоватый сыпучий гранулированный порошок, обеспечивающий высокую эффективность образования флоккул в мелкодисперсной среде с отрицательно заряженными частицами.

Первоначально при проведении экспериментов по определению растекаемости и показателя фильтрации цементного раствора был использован тампонажный цемент ПЦТ — 1–50 и понизитель фильтрации ВПК — 402 при В/Ц=0,5. Результаты экспериментов показаны в таблице 1.

Значения растекаемости ипоказателя фильтрации ВПК— 402

Параметры

Концентрация ВПК— 402,%

Источник

Измерение цементной пыли и определение запыленности

Контроль цементной пыли

Заболевания органов дыхания, связанные с вдыханием цементной пыли, являются наиболее важной группой профессиональных заболеваний. Цементная пыль содержит множество оксидов металлов, в том числе оксид кальция, оксид кремния, триоксид алюминия, оксид железа, оксид магния, песок и другие примеси, которые вызывают профессиональные заболевания.

Различные очаги загрязнения, в первую очередь строительные площадки, являются постоянными источниками пыли неорганической. С целью уменьшения ее вреда на производственных площадках должен проводиться отбор образцов и определение концентрации.

Цель измерений

Заказать измерения

Точные измерения

Учитываем самые малые доли загрязнений и вредных факторов

Аттестованное оборудование

Оборудование прошло поверку в государственных органах

Достоверные данные

Объективная информации о ситуации на предприятии

Часто задаваемые вопросы

Почему вредна неорганическая цементная пыль?

Цемент содержит различные типы химических веществ в дополнение к извести и кремнезему, и такие химические вещества вызывают различные осложнения для здоровья и дыхательные расстройства. Наиболее важными профессиональными рисками для цементных рабочих являются аллергия и осложнения, связанные с дыхательной системой. Контроль и мониторинг, заключающийся в определение концентрации на производствах и строительных площадках — обязанность работодателя, заботящегося о своих работниках.

Как пыль цемента вредит организму?

Дым и пыль, образующиеся в некоторых отраслях промышленности, вызывают ряд негативных последствий. Негативное воздействие дыма и пыли связано с повышенным риском хронических обструктивных заболеваний легких. В перспективе работники цементной отрасли могут также подвергаться многочисленным видам профессиональных опасностей, и эти материалы являются основными виновниками смертности и заболеваемости. Именно поэтому необходимо производить замеры запыленности воздуха.

Цементная пыль вызывает нарушение функции легких, хроническую обструктивную болезнь легких, рестриктивную болезнь легких, пневмокониоз и рак легких, желудка и толстой кишки. Также она может проникать в системное кровообращение и, таким образом, достигать практически всех органов тела и воздействовать на различные ткани, включая сердце, печень, селезенку, кости, мышцы и волосы, что в конечном итоге негативно влияет на здоровье.

Кто подвержен вдыханию цементной пыли?

Вдыхание больших количеств пыли сверх предельно допустимых концентраций (ПДК) может произойти, когда рабочие опорожняют мешки с цементом, либо работают на растворо-бетонных узлах. Такой же опасности подвергаются и штукатуры. В краткосрочной перспективе такое воздействие раздражает нос и горло, вызывает удушье и затрудненное дыхание. Шлифование или резка бетона также может привести к выделению большого количества пыли, содержащей много кристаллического кремнезема (диоксида кремния, SiO2). Длительное или повторное воздействие может привести к инвалидизации и часто смертельному заболеванию легких, которое называется силикозом. Отмечается связь между воздействием кристаллического кремнезема и раком легких.

Было отмечено, что большинство этих работников страдали от различных типов респираторных осложнений, таких как кашель, астма и инфекции легких. В дополнение к этому, немногие субъекты показали аллергию и другие осложнения, такие как гипертония, диабет и боли в спине. Следует заказывать измерения своевременно!

Источник