بخشی از مقاله
چکیده
پدیده فروپاشی3 لوله هاي جداري و آستري نصب شده در بخش هاي نمکی چاه هاي نفت و گاز، از جمله مشکلات موجود در مناطق نفتی سراسر دنیا می باشد. جهت پیش بینی علل وقوع دوپهن شدگی در چاه ها، سیستم دوغاب سیمان مورد استفاده در چاه ها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که به دلیل میزان بالاي آب آزاد و ته نشینی ذرات افزایه وزن افزا و به اصطلاح دوفاز شدن دوغاب، خواص رئولوژیکی دوغاب ها نامناسب بوده و پوشش سیمانی قرار گرفته در فضاي حلقوي پشت لوله هاي جداري از کیفیت نامناسبی برخوردار می باشد.
با اصلاح فرمولاسیون سیستم دوغاب سیمان ، دوغاب همگنی حاصل گردید که سنگ سیمان حاصل از آن داراي مقاومت بالایی می باشد. جهت بهبود پارامترهاي الاستیک سیمان اصلاح شده در راستاي افزایش الاستیسیته سنگ سیمان - کاهش مدول یانگ به افزایش نسبت پواسون - به منظور جلوگیري از ایجاد بارهاي نقطه اي وارده از جانب سازند نمکی و تبدیل آنها به نیروهاي گسترده یکنواخت در طول ستون غلاف سیمانی، با کمک علم نانو از افزایه الاستیک کننده جدیدي بهره گیري شد.
-1مقدمه:
از میان کلیه خدماتی که در حفاري یک چاه نفت یا گاز به آن پرداخته می شود، لوله گذاري و سیمان کاري را را یقیناً می توان مهمترین خدمت دانست. عمر چاه، میزان تولید و مدت بهره برداري آن به مقدار وسیعی به درجه موفقیت این خدمات دارد. در عملیات لوله گذاري ، چاه لخت به وسیله یک رشته لوله فولادي مخصوص پوشیده می شود و متعاقب آن در عملیات سیمان کاري، فضاي حلقوي بین لوله و دیوار چاه از یک دوغاب سیمان با یک ترکیب مشخص پر می گردد. دوغاب سیمانی که به این ترتیب دالان پشت لوله ها را پر می کند با گذشت زمان - معمولا پس از چند ساعت یا چند روز - می بندد و سخت می شود و سنگ سیمان حاصل چون غلافی محکم لوله هاي پوششی را در بر می گیرد و آنها را با سازند پیوند می دهد.
این غلاف سخت سیمان وظایف متعددي را انجام می دهد که شاید به توان همه آنها را در دو کلمه "محافظت" و "ممانعت"خلاصه کرد. سیمان به دیوار چاه ثبات می دهد و لوله هاي پوششی را در مقابل نیرو هاي خارجی ناشی از طبقات زمین که ممکن است حتی باعث در هم شکستن و خورد شدن لوله ها گردد و نیز در مقابل الکترولیز خردگی ناشی از آبهاي خورنده زیرزمینی و هیروکربن هاي ترش یا تماس مستقیم لوله ها با چینه ها می باشد "محافت" می کند و از مهاجرت سیال هاي یک سازند دیگر و آلوده شدن ناخواسته هیدروکربن هاي ارزشمند - نفت و گاز - "ممانعت" به عمل می آورد.
ذ-نانوشسیلیسش ها ش
با استفاده از نانو ذرات سیلیس می توان میزان تراکم ذرات را در سیمان افزایش داده که این به افزایش چگالی میکرو و نانو ساختارهاي تشکیل دهنده سیمان و در نتیجه افزایش ویژگی هاي مکانیکی می انجامد .افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد بر مبناي سیمان هم موجب کنترل تجزیه شیمیایی ناشی از H-C-S - کلسیم سیلیکات هیدرات - ، که در اثر نشست کلسیم در آب رخ میدهد، می شود و هم باعث جلوگیري از نفوذ آب به داخل سیمان می شود که هر دو این موارد کارایی سیمان را افزایش می دهند.
هم اکنون سیلیس جزئی از سیمان معمولی است .مهمترین ترکیب پوزولان ها، سیلیکا و یا سیلیس شیشه اي است که در نتیجه واکنش آنها با هیدروکسید کلسیم، سیلیکات کلسیم هیدراته شده، تولید می شود .سیلیکا و سیلیس شیشه اي تعیین کننده سرعت واکنش پذیري پوزولان هاست که در نتیجه واکنش آنها با هیدرکسید کلسیم، سیلیکات کلسیم هیدراته شده تولید میشود.
بنابر این بدیهی است که نانو سیلیس ها به دلیل سطح مقطع بیشتر از اهمیت خاصی برخوردار باشند . تحقیقات انجام شده نشان داده است که مقاومت فشاري 7 روزه و 28 روزه سیمان هاي حاوي نانو سیلیس بیشتر از سیمان هاي حاوي میکرو سیلیس می باشد .علاوه بر این، آزمایشات نشان دهنده افزایش واکنش پذیري سیمان هاي حاوي نانو سیلیس می باشد .استفاده از نانو سیلیس در سیمان، نه تنها به علت پرکنندگی منافذ باعث بهبود ساختار می شود، بلکه واکنش هاي پوزولانی را فعال تر می نماید.
افزودن نانو سیلیس و دوده سیلیس بر زمان نیم بندش سیمان موثر می باشد و زمان نیم بندش را کاهش می دهد .با افزایش نانو سیلیس به سیمان ، ملات سیمان متراکم تر شده و نفوذ پذیري نسبت به سیمان معمولی به تدریج کاهش می یابد .گیرش اولیه نمونه هاي حاوي نانو سیلیس، نسبت به نمونه هاي حاوي دوده سیلیس، سریع تر بوده و تفاوت بین زمان گیرش اولیه و گیرش نهایی نمونه هاي حاوي نانو سیلیس نسبت به نمونه هاي حاوي دوده سیلیس به دلیل کاهش نفوذ پذیري - متراکم بودن ساختار نانو سیمان ها - بیشتر میشود.
آب آزاد
آب آزاد دوغاب ها مطابق با روش استاندارد API جهت نشان دادن پایداري دوغاب ها در محدوده وسیعی از چگالی ها اندازه گیري شده اند .بر اساس نتایج بدست آمده از آزمایشات آب آزاد تمامی دوغاب هاي طراحی شده با استفاده از نانو سیلیس صفر می باشند.
خواص رئولوژیکی
سیستم جدید دوغاب ها به گونه اي طراحی شده اند که در تمامی محدوده هاي وزنی داراي خواص رئولوژیکی مطلوبی می باشند .کلیه دوغاب ها داراي خاصیت تیکسوتراپیک بوده و با استفاده از پراکنده سازها از ثبات کمی برخوردار هستند.
خواص رئولوژیکی دوغاب هاي سیمان که داراي مقاومت تراکمی قابل قبولی بوده اند .تست هاي رئولوژیکی با استفاده از دستگاه Fann 35 و مطابق با روش استاندارد API انجام شده اند.
س-اثر نانو ذرات در خصوصیات دوغاب سیمان:
در این قسمت توجه و تمرکز بیشتري بر روي دوغاب سیمان خواهد شد و بعضی از نتایج آزمایشات از مقالات علمی ارائه خواهد شد.
س--1اثر نانو سیلیکا بر روي تخلخل و نفوذپذیري سیمان:
استفاده از نانو ذرات یکی از بهترین روش ها براي کاهش نفوذپذیري و تخلخل ساروج یا بتن سیمانی در صنعت ساختمان سازي است. بعضی از مطالعات مشابه به منظور پایین آوردن تخلخل و نفوذپذیري سیمان حفاري نیز انجام شده اند.
جدول ١ تغییرات تخلخل و نفوذ پذیري را در مقابل درصدهاي مختلف از نانوسیلیکا نشان می دهد.
اضافه نمودن %1 وزنی نانو سیلیکا به مخلوط دوغاب سیمان ، تخلخل و نفوذپذیري را به ترتیب %33.3 و %99 کاهش میدهد. در دوغاب هاي متداول ذرات با یکنواختی بیشتري نسبت به فرمولاسیون هاي جدید، پخش و پراکنده میشوند. ذرات ریز و کوچک از نانو سیلیکا در منافذي به ابعاد میکرونی قرار میگیرند و در نهایت منجر به کاهش تخلخل و نفوذپذیري میشوند، اما به نظر میرسد که توزیع غیر یکنواخت ذرات اثر بیشتري و چشمگیرتري در کاهش تخلخل و نفوذپذیري نمونه دوغاب سیمان داشته باشد.
همانگونه که در جدول 1 مشاهده شده است، با افزایش دادن میزان نانو سیلیکا از %1 ، نفوذپذیري نیز زیاد میشود و این را میتوان به علت افزایش دانسیته دوغاب، توجیح نمود. به منظور تعیین اثر نانو سیلیکا بر روي ساختار دوغاب سیمان و علت کاهش نفوذپذیري سیمان، تصاویر SEM از s1 و s2 در شکل 2 - a - و 2 - b - نشان داده شده اند. همانطور که در شکل 2 مشاهده میکنید ، ذرات ریز از نانو سیلیکا به خوبی در منافذ خمیر سیمان ، قرار گرفته اند. شکل 2 - b - ساختار متراکم تري را نسبت به شکل 2 - a - نشان میدهد.
