161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Ресурсоощадна технологія тампонажних цементів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Дев'ятова, Наталя БорисівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 "Хімічні технології та інженерія". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Об'єкт дослідження – закономірності процесів фазоутворення кальцій алюмоферохромітних клінкерів. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування фазового складу і структури цементного клінкеру та тампонажного розчину на основі системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі – розробка ресурсоощадної технології тампонажного цементу для "гарячих" свердловин на основі алюмінатів, феритів та хромітів кальцію з використанням відходів хімічної промисловості. В вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. В першому розділі описані види сучасних тампонажних цементів, які відносяться до в'яжучих гідратованого тверднення, умови для тверднення цементу в свердловині, вплив зовнішніх факторів на терміни твердіння з урахуванням того, що огляд і точне обстеження стану свердловини неможливі. Розглянуті основні вимоги та властивості тампонажних цементів. Тампонажні цементи повинні характеризуватися необхідною міцністю в перші дві доби тверднення. Міцність затверділого цементного розчину в короткі терміни тверднення повинна забезпечити закріплення колони в стовбурі свердловини. Важливий показник – в'язкість цементного розчину, текучість, що характеризує його. Цемент одного різновиду не може задовольняти всім вимогам, пов'язаним з різними умовами його роботи в свердловинах. Тому сучасна цементна промисловість випускає два основні види тампонажного цементу. Один з них призначений для цементування “холодних” свердловин за низьких та нормальних температур (15 ºС – 50 ºС), а інший – "гарячих" (понад 70 ºС). Цементи випробовують відповідно при 111 ºС і 150 ºС. Виявлено вплив характеристик цементу на реологію цементного розчину, яка визначає загальну поведінку, а також умови експлуатації у свердловинах цементного каменю. На його тверднення істотно впливають: мінералогічний склад цементу, тонкість помелу і речовий склад. Описано тверднення в агресивних середовищах та мінеральний склад цементного каменю. Розглянута система CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃, як основа для розробки тампонажних цементів та підсистеми з яких вона складається. Виділені проблеми, які в даний момент ще не вирішені, а саме вимоги, які вимагають пошуків нових технологічних рішень щодо хімічного та мінералогічного складу в’яжучих матеріалів гідратаційного тверднення та використання відходів хімічної промисловості. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на отримання складів високоефективних тампонажних цементів на основі чотирикомпонентної системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃, яка буде фізико-хімічної основою розробки складів тампонажних цементів на основі представлених відходів. В другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів та каталізаторів, методів виготовлення зразків, а також надана характеристика методів та обладнання для теоретичних і експериментальних досліджень, здійснених в роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки силікатів. Для синтезу зразків заданого фазового складу проводилося послідовне подрібнення, змішування і випалення сировинних сумішей. Ретельно подрібнення і змішування сировинних компонентів виконувалось в лабораторному кульовому млині "мокрим способом". Тонкість помелу контролювалася ситовим аналізом. Перед випалюванням сировинні суміші формувалися методом двостороннього пресування при питомому тиску 60 – 80 МПа. Випал брикетів здійснювався в силітовой і криптоловій печах при 1250 ºС і ізотермічних витримках 2 години. Дослідження фазового складу продуктів випалу сировинних сумішей і гідратації в'яжучих матеріалів проводилося за допомогою таких фізико - хімічних методів аналізу як рентгенофазовий (дифрактометр "Дрон - 3М", розшифровка рентгенограм проводилась за Powder Diffraction File), Inorganic Phases. Alphabetical Index (chemical & mineral names), диференційно - термічний (дериватограф Q - 1500 Д системи F. Paulik - J. Paulik - L. Erdey), ІЧ - спектроскопія (інфракрасний фур'є-спектрометр Tensor 27), петрографічний (поляризаційний мікроскоп МІН - 8), електронно-мікроскопічний (JSM -840 scanning microscope). Фізико-механічні випробування цементу проводилися згідно методики малих зразків М. І. Стрєлкова. Технічні властивості розроблених матеріалів визначалися за стандартними методами, згідно ДСТУ Б В.2.7-88-99 (Тампонажні цемент. Технічні умови). Температури і склади евтектики в бінарних перерізах системи розраховувалась за формулами Епстейна-Хоуленд, а в три- і чотирикомпонентних перерізах – шляхом вирішення системи нелінійних рівнянь. В третьому розділі теоретично обґрунтовано за допомогою термодинамічних методів розрахунку: – термодинамічна оцінка імовірності утворення трикомпонентної сполуки Са₆Al₄Cr₂O₁₅ в системі CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃; – уточнення субсолідусної будови трикомпонентної системи CaO – Al₂O₃ – Cr₂O₃, з урахуванням існування сполуки Са₆Al₄Cr₂O₁₅; – уточнення субсолідусної будови чотирикомпонентної системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃; – оцінка температур і складів евтектик полікомпонентних перерізів системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃. На підставі розрахунків була проведена тетраедрація системи та аналіз температур і складів евтектик полікомпонентного перерізу CaAl₂O₄ – CaCr₂O₄ – Сa₁₂Al₁₄O₃₃ – Ca₄Al₂F₂O₁₀ чотирико мпонентн ої системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃, доведено використання складів раціональної області для отримання тампонажних цементів з підвищеною температурою експлуатації, які можуть бути використані для тампонування гарячих газових свердловин промислови х регіонів України. В четвертому розділі після виконання розрахунків по тріангуляції системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃ і в изначення геометро топологічних характеристик її фаз перейшли безпосередньо до отримання в'яжучих матеріалів на основі сполук цієї системи, яким притаманні комплексом спеціальних заданих властивостей. Досліджено відпрацьовані каталізатори СТК - 1 та ГИАП - 14С. Особливості прояву в’яжучих властивостей сполуки Са₆Al₄Cr₂O₁₅. Проведена оптимізація складів та технологічних параметрів синтезу тампонажних цементів на основі сполук системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃. Розроблені склади цементного клінкеру на основ і каталізаторів. За результатам проведених досліджень оптимальним вибрано склад, який відповідає CaAl₂O₄ – 30 мас. %, CaCr₂O₄ – 10 мас. %, Сa₁₂Al₁₄O₃₃ – 30 мас. %, Ca₄Al₂Fе₂O₁₀ – 30 мас. %. Досліджені особливості фазоутворення у цементах системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃. Проведені рентгенографічні дослідження спеків. Вивчені продукти гідратації тампонажних цементів. В п'ятому розділі проведена розробка складів тампонажних розчинів на основі сполук системи CaO – Al₂O₃ – Fe₂O₃ – Cr₂O₃. Проведені дослідженн я можливості використання відпрацьованих каталізаторів СТК 1 та ГИАП 14С у виробництві тампонажних цементів. За результатами провед еного комплексу фізико хімічних досліджень встановлено, що величиною вмісту Al₂O₃, Fe₂O₃ та Сr₂O₃ дані відпрацьовані каталізатори можуть бути використані у складі суміші для отримання цементів, як алюмовмісних, залізовмісних та хромовмісних компонентів, замість алюмінію оксиду, заліза (ІІІ) оксиду та хром (ІІІ) оксиду марки ЧДА, що дозволило розробити ресурсоощадну технологію тампонажних цементів. На основі синтезованого за ресурсозберігаючою технологією тампонажного кальцій алюмоферохромітного цементу розроблені склади тампонажних розчинів. Як наповнювачі запропоновано використовувати природні матеріали, які традиційно використовуються промисловістю - пісок та барит. У результаті дослідження фізико – механічних і технічних властивостей встановлено, що отримані розчини характеризуються високою міцністю як при стиску (до 55 МПа), так і при вигині (до 7,2 МПа), водовідділенням 0,07 см³/г, коефіцієнтом сульфатостійкості 1,31, стійкістю до одночасного впливу підвищених температур і тисків. Промислові випробування тампонажного розчину з використанням як заповнювачів бариту та піску проведено у ТОВ НВП "Моноліт" (м. Костянтинівка), ТОВ "Спецкераміка" (м. Рубіжне). За результатами яких встановлено, що отриманий розчин може бути рекомендований для цементування обсадної колони "гарячої" газодобувної свердловини. Наукові результати впроваджені у навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".