مواد و ساخت پیشرفته

اکتشاف و توسعه مخازن نفت و گاز در دمای بالا و فشار بالا (HTHP) برای مقابله با بحران جهانی انرژی ضروری است. کیفیت سیمان­کاری برای توسعه مخازن نفت و گاز بسیار مهم است. با این حال، برخی از مشکلات فنی، مانند نشت سیمانی، مهاجرت گاز و پایداری ضعیف سوسپانسیون، تا حد زیادی بازده اکتشاف منابع HTHP را کاهش می­ دهد.

خمیرهای سیمان تیکسوتروپیک که در اثر تنش برشی تخریب می‌شوند و پس از سکون به سرعت ساختار ژلی را بازیابی می‌کنند، می‌توانند اقدامی مؤثر برای حل مشکلات فوق‌الذکر در نظر گرفته شوند. علاوه بر این، خمیر سیمان با ویژگی‌های تیکسوتروپیک، چشم‌اندازهای کاربردی گسترده‌ای در سیمان‌سازی چاه های افقی دارد. خمیر سیمان تیکسوتروپیک به طور کلی به این صورت در نظر گرفته می­ شود که ذرات کلوئیدی به نیرو (به عنوان مثال، برهمکنش بار، پیوند هیدروژنی و نیروی واندروالس) برای تشکیل یک ساختار شبکه سه ­بعدی برگشت­ پذیر پویا متکی هستند. این ساختار شبکه به تدریج تحت عمل برشی از بین می­رود که قابلیت پمپاژ خمیر سیمان را در حین ساخت سیمان تضمین می­کند. ساختار شبکه بین ذرات هنگامی که عمل برشی حذف می شود و زمان آرامش مشخصی می گذرد بازیابی می شود.

عامل تیکسوتروپیک خمیر سیمان چاه نفت را می توان به پلیمرهای آلی و مواد معدنی (مانند مواد معدنی رسی و سولفات ها) تقسیم کرد. عوامل تیکسوتروپیک پلیمری آلی (مانند صمغ زانتان) می توانند یک ساختار ژل برگشت پذیر پویا بین ذرات سیمان و گروه های عاملی پلیمر از طریق پیوندهای هیدروژنی و یونی ایجاد کنند. پلیمر با وزن مولکولی بالا به راحتی ویسکوزیته دوغاب را افزایش می­دهد که منجر به سیالیت ضعیف دوغاب سیمان و پمپاژ دشوار می ­شود. متأسفانه، بیشتر پلیمرها مشکل نازک شدن حرارتی را دارند و تیکسوتروپی کم کم ناپدید می‌شوند که در دمای کف چاله، کاربرد آن را در دماهای بالا به طور جدی محدود می‌کند. سولفات‌ها (مانند سولفات کلسیم و سولفات آلومینیوم)، می‌توانند با تری کلسیم آلومینات (C3A) واکنش داده و سولفوآلومینات کلسیم هیدراته را تشکیل دهند که ارتباط بین ذرات سیمان را تقویت می‌کند و یک ساختار شبکه یا ژل را تشکیل می‌دهد. سولفات (سولفات کلسیم) در هیدراتاسیون اولیه مواد معدنی سیمان برای تولید سولفوآلومینات کلسیم هیدراته ناپایدار شرکت می کند که منجر به شعله­ ور شدن مواد می شود که کاربرد آن را در دماهای بالا به طور جدی محدود می­کند. خمیر سیمان تیکسوتروپیک که ساختار شبکه را تحت عمل برشی تخریب می­کند و به سرعت حالت قبلی خود را پس از سکون بازیابی می­کند، روشی موثر برای حل مسئله نشت سیمان و مهاجرت گاز برای سیمان کاری چاه نفت و گاز است.

در تحقیقات جدید، برای غلبه بر کاستی‌های عوامل تیکسوتروپیک خاک رس (مانند سیالیت ضعیف و خواص مکانیکی با دوز بالا)، یک عامل تیکسوتروپیک نانورس مرکب (یعنی LDH/MMT) ایجاد شده است که شامل مونت موریلونیت (MMT) با بارهای منفی دائمی در لایه‌ها و هیدروتالسیت از نوع سولفات آلومینیوم/ منیزیم (Mg/Al–-LDHs) با بارهای مثبت در لایه ها می‌­شود. در این تحقیق، عملکرد رئولوژیکی LDH/MMT و اثرات آن بر خمیر سیمان مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که Mg2Al-LDH  با چگالی بار بالای لایه­ها به طور قابل‌توجهی استحکام ژل LDH/MMT را بهبود می‌بخشد، در حالی که ویسکوزیته ظاهری در نرخ برشی بالا کمی تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد. و هنگامی که LDH/MMT با دوز پایین با سیمان مخلوط می شود، به خمیر سیمان تنش تسلیم بالا و نازک شدن برشی برجسته و رفتار تیکسوتروپیک با تشکیل ساختار شبکه­ای برگشت­ پذیر پویا بین ذرات کلوئیدی سیمان و خاک رس می­دهد. علاوه بر این، در مقایسه با خمیر سیمان تمیز، خمیرهای سیمانی حاوی0.3 %bwoc LDH/MMT، به دلیل اثر پوزولانی و مکان‌های هسته‌زایی برای رشد سیلیکات کلسیم هیدراته،  افزایش مقاومت فشاری تقریباً 10٪ نشان می ­دهد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S095894652200378X