Исследователи создали новый состав – с добавлением наногибрида графена – более экономичный, чем традиционные и обладающий перспективными механическими, термическими и реологическими свойствами.
Основной метод разработки и эксплуатации геотермальных ресурсов – бурение канала скважины в резервуаре. При бурении термических резервуаров возникает ряд трудностей, среди которых низкие устойчивость ствола скважины и пластовое давление, образование трещин. Огромное влияние на устойчивость, срок службы и потенциал добычи в течение всего жизненного цикла геотермальных скважин оказывает технология цементирования, изолирующая потери путем закачки цементного раствора в кольцевое пространство между пластом и обсадной колонной.
«Чрезвычайно важной и сложной проблемой при цементировании является разработка легкого цемента для работы с нетрадиционными нефтяными и геотермальными скважинами, особенно истощенными или находящимися в условиях низкого давления, но одновременно подвергающихся воздействию очень высоких температур. Поэтому конструктивные требования к таким растворам существенно отличаются от обычных. В дополнение к низкой плотности они должны обладать определенными механическими, реологическими и термическими свойствами. Исследования в области облегченных цементных композиций – новое и крайне перспективное направление», — говорит один из соавторов статьи, инженер-исследователь Центра Хериот-Ватт ТПУ Шадфар Давуди.
Проект ученых направлен на создание новой облегченной цементной композиции с добавлением наногибрида графена для использования в низкопластовых и высокотемпературных геотермальных скважинах в широком диапазоне температур. В настоящее время для приготовления облегченного цемента используются различные материалы, например, летучая и кремнеземная зола, полые стеклянные шарики. Также существуют различные виды пеноцементов. Проанализировав свойства облегченных цементов, изготовленных с использованием различных доступных наполнителей, исследователи выявили ряд перспективных для использования. Так, стеклянные микросферы отличаются низкой плотностью и достаточной прочностью на раздавливание, а нанооксид алюминия повышает прочность и улучшает механические свойства цемента. Также он демонстрирует пуццолановые (придающие материалам повышенную водостойкость и устойчивость к агрессивным средам) свойства.
«В ряде предыдущих исследований было обнаружено, что графен может эффективно предотвращать термическое растрескивание в объемных структурах цемента и значительно увеличивать температуропроводность цементных композитов. Кроме того, из-за высокой теплопроводности графен, оксид графена, нанолисты графена сохраняют прочность и целостность затвердевших цементных структур при высоких температурах», — говорит ученый.
В рецептуре новой цементной композиции исследователи использовали наногибрид графена – оксида алюминия, синтезированный методом соосаждения, в сочетании с полыми стеклянными шариками и распространенными коммерческими жидким наполнителем цемента и компонентом для понижения его плотности. Для приготовления цементного раствора применялся смеситель постоянной скорости, обеспечивающий тщательное перемешивание цемента, воды и других добавок с поддержанием постоянной скорости сдвига.
Затем были проанализированы морфология, структура, химический состав, время загустевания, водоотдача, содержание свободной воды в цементных растворах, реологические и механические свойства, теплопроводность полученных образцов.
«По результатам проведенных экспериментов зафиксированы повышение термостойкости и увеличение критической прочности цементного камня при повышенных температурах. Кроме того, использование наногибрида графена способствует оптимизации плотности цементных растворов, значительно улучшает водоотдачу и теплопроводность. Еще один фактор, не менее важный, – экономический. Себестоимость облегченного цемента, произведенного с добавлением графена, значительно ниже, чем у вспененного цемента или цементной композиции со стеклянными микросферами. Более того, цементные композиции с добавлением наногибрида графена позволяют избежать многих технологических проблем, связанных с обычным облегченным цементом, включая изменение плотности под давлением в скважине, необходимость использования сложных систем закачки азота и технологий вспенивания. Таким образом, наногибрид графена помогает достичь превосходной производительности при проектировании облегченных цементных составов с высокой прочностью и необходимыми термическими, реологическими свойствами и текучестью для цементирования нетрадиционных и высокотемпературных геотермальных скважин», — подытожил эксперт.
В исследовании принимали участие сотрудники Томского политехнического университета, Сколтеха, университетов и институтов Ирана и Австрии.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета