Nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính, hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - LƯU THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội, Năm 2012 b BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** - LƯU THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN Chuyên ngành: Công nghệ hóa học chất vô Mã số: 62.52.75.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH Nguyễn Anh Dũng TS Lương Đức Long Hà Nội, Năm 2012 c LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu Luận án trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu Tác giả Luận án Lưu Thị Hồng d LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy hướng dẫn, PGS.TSKH NGUYỄN ANH DŨNG, TS LƯƠNG ĐỨC LONG, thầy nhiệt tình, giúp đỡ động viên suốt giai đoạn thực luận án Tác giả luận án xin bày tỏ cảm ơn đến Phòng Dung dịch Khoan Hóa Phẩm Dầu Khí - DMC: TS NGUYỄN VĂN NGỌ; Cán nhân viên Xi nghiệp Liên Danh Vietsopetro: TSKH TRẦN XUÂN ĐÀO VÀ TS NGUYỄN HỮU CHINH; PGS, TS HOÀNG VĂN PHONG; Bộ môn công nghệ Vật liệu Silicat Viện Đào tạo sau đại học - Trường Đại Học Bách khoa Hà nội; Các đồng nghiệp Trung Tâm Xi măng Bê tông - Viện Vật liệu Xây dựng giúp đỡ giai đoạn thực luận án Hà nội, ngày 15 tháng năm 2012 Tác giả Luận án Lưu Thị Hồng c MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan a Lời cảm ơn b Mục lục c Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt f Danh mục bảng, biểu g Danh mục hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) h LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN VÀ PHỤ GIA VÔ CƠ ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT 1.1 Vai trò xi măng giếng khoan công tác khoan thăm dò khai thác dầu khí 1.2 Ảnh hưởng môi trường đến tính chất xi măng giếng khoan 1.2.1 Ảnh hưởng điều kiện thi công bơm trám 1.2.2 Ảnh hưởng môi trường làm việc giếng khoan 1.3 Phân loại xi măng giếng khoan 15 1.4 Phụ gia vô điều chỉnh tính chất xi măng giếng khoan 16 1.4.1 Phụ gia điều chỉnh tỷ trọng hồ xi măng 16 1.4.2 Phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết thời gian đặc 22 quánh hồ xi măng 1.4.3 Phụ gia cải thiện cường độ đá xi măng 23 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia vô xi măng 24 giếng khoan Việt Nam 1.6 Kết luận chương 25 d 27 2.1 CHƯƠNG MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu luận án 2.2 Phương pháp nghiên cứu 27 2.2.1 Phương pháp phân tích hóa học 28 2.2.2 Phương pháp phân tích lý vật liệu 29 2.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning 33 27 Electronic Microscope) 2.2.4 Phương pháp nhiễu xạ Rơn ghen - XRD 34 2.2.5 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA DTG) 35 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 36 ĐIATOMIT BIẾN TÍNH ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI 3.1 MĂNG GIẾNG KHOAN Nguyên liệu sử dụng nghiên cứu 36 3.1.1 Clanhke xi măng G 36 3.1.2 Phụ gia điatomit 39 3.2 Tính chất điatomit sau biến tính nhiệt 41 3.2.1 Biến tính nhiệt điatomit 41 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến thành phần hóa cấu 42 trúc điatomit 3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit đến hoạt tính 46 puzzolanic 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit đến tính chất xi 48 măng giếng khoan 3.3 Kết luận chương 54 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 55 HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI 4.1 MĂNG GIẾNG KHOAN Phụ gia hydroxit sắt 55 4.2 Ảnh hưởng hydroxit sắt (PGF) đến tính chất xi 58 măng giếng khoan 4.2.1 Độ chảy tỏa hồ xi măng 58 e 4.2.2 Độ tách nước hồ xi măng 60 4.2.3 TGBĐ đông kết TGĐQ HXM 61 4.2.4 Cường độ đá xi măng 63 4.3 67 4.4 Nghiên cứu khả hình thành khoáng kết dính PGF hệ hệ vôi, thạch cao Nghiên cứu khả hình thành khoáng hydro tricanxi ferro sunphat nhiệt độ 750C Nghiên cứu khắc phục tượng suy giảm cường độ đá xi măng tăng lượng sử dụng PGF Kết luận chương 84 5.1 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KẾT HỢP ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐỂ CHẾ TẠO XMGK TỶ TRỌNG THẤP Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu 5.2 Xác định cấp phối xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 84 5.3 Tính chất xi măng giếng khoan 85 5.4 90 5.4.1 Sản xuất thử xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp quy mô công nghiệp Xi măng G 5.4.2 Thạch cao Lào 91 5.4.3 Phụ gia hydroxit sắt 91 5.4.4 Sản xuất điatomit biến tính nhiệt 91 5.4.5 Sản xuất xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 94 5.5 Kết luận chương 96 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 4.3.1 4.3.2 67 77 83 84 90 PHỤ LỤC Phụ lục Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen điatomit nhiệt độ nung 103 Phụ lục Giản đồ đo thời gian đặc quánh HXM 107 Phụ lục Sản xuất công nghiệp điatomit biến tính nhiệt 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 122 f DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XM : Xi măng XM G : Xi măng G (xi măng loại G) XMGK : Xi măng giếng khoan HXMGK : Hồ xi măng giếng khoan GK : Giếng khoan HXM : Hồ xi măng TGĐK : Thời gian đông kết TGBĐ : Thời gian bắt đầu TGKT : Thời gian kết thúc TGĐQ : Thời gian đặc quánh KLR : Khối lượng riêng PGF : Phụ gia hydroxit sắt mịn TC : Thạch cao PGF+TC : Hỗn hợp phụ gia hydroxit sắt thạch cao Fe- ettringhit : Hợp chất hydro tricanxi ferro sunphat [Ca6Fe2(SO4)3(OH)12⋅ 26H2O] CTCT : Công thức cấu tạo MKN : Mất nung C : CaO S : SiO2 H : H 2O A : Al2O3 F : Fe2O3 ― S : SO3 ― C : CO2 CH ― : Ca(OH)2 CSH2 : CaSO4.2H2O * Chú thích: Tỷ trọng hồ xi măng tỷ số khối lượng riêng hồ xi măng khối lượng riêng nước điều kiện môi trường g DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Thành phần khoáng, hoá, tính chất lý clanhke xi 36 măng G Bảng 3.2 Thành phần hóa học điatomit Phú Yên 39 Bảng 3.3 Thành phần khoáng điatomit Phú Yên 40 Bảng 3.4 Thành phần hóa học điatomit nung nhiệt độ 7000C 42 Bảng 3.5 Độ hút vôi điatomit 46 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit đến tính chất XM 48 Bảng 4.1 Thành phần hoá học hydroxit sắt 55 Bảng 4.2 Kích thước hạt hydroxit sắt 56 Bảng 4.3 Thành phần mẫu nghiên cứu 58 Bảng 4.4 Độ chảy tỏa HXM G có chứa PGF 58 Bảng 4.5 Độ tách nước HXM G chứa PGF 61 Bảng 4.6 TGBĐ TGĐQ HXM G chứa PGF 62 Bảng 4.7 Cường độ nén uốn xi măng G sử dụng PGF 75oC 64 Bảng 4.8 Thành phần hóa học vôi thạch cao sử dụng cho 67 nghiên cứu Bảng 4.9 Tỷ lệ nguyên liệu cấp phối nghiên cứu 68 Bảng 4.10 Cường độ mẫu C1 C2 69 Bảng 4.11 Thành phần mẫu nghiên cứu bổ sung thạch cao 78 Bảng 4.12 Tính chất XM sử dụng hỗn hợp PGF + TC 78 Bảng 5.1 Tỷ lệ cấp phối HXMGK tỷ trọng thấp sử dụng hỗn hợp 84 PGF+TC Bảng 5.2 Tính chất XMGK tỷ trọng thấp có sử dụng hydroxit sắt 85 Bảng 5.3 Thành phần khoáng, hoá, tính chất lý XMGK G 90 Bảng 5.4 Thành phần hóa thạch cao Lào sử dụng cho sản xuất 91 thử nghiệm Bảng 5.5 Thành phần hoá học hydroxit sắt dùng cho sản xuất thử nghiệm 91 h Bảng 5.6 Thành phần hóa học điatomít sản xuất công nghiệp 93 Bảng 5.7 Tính chất xi măng sản xuất thử công nghiệp 95 Bảng 5.8 Kết mẫu xi măng sản xuất thử, thí nghiệm viện NHIPI 95 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Vị trí đá xi măng giếng khoan Hình 1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến biến đổi thù hình khoáng hydrát canxisilicat Hình 1.3 Cường độ nén độ thấm đá xi măng pooc lăng 2300C Hình 1.4 Cường độ độ thấm xi măng G với 35% cát nghiền 10 Hình 1.5 Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng tới cường độ đá xi 11 măng pooc lăng phụ gia Hình 1.6 Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng tới độ thấm đá xi măng 11 pooc lăng phụ gia Hình 1.7 Cấu trúc khoáng sét 19 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo consistometer 32 Hình 2.2 Sơ đồ đường chiếu phóng đại kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 Hình 2.3 Nguyên lý truyền tia rơn ghen 35 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen clanhke G 38 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM hình dạng khoáng clanhke xi măng G 38 Hình 3.3 Đường cong biểu diễn thay đổi độ nhớt HXM G 39 theo thời gian Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen điatomit Phú Yên 40 Hình 3.5 Ảnh SEM điatomit nguyên khai 41 Hình 3.6a Giản đồ nhiễu xạ XRD điatomit nung nhiệt độ 7000C 44 Hình 3.6b Giản đồ nhiễu xạ XRD điatomit nung nhiệt độ 8500C 44 Hình 3.6 c Giản đồ nhiệt vi sai điatomit nguyên khai 45 Hình 3.7 Cấu trúc điatomit biến tính nhiệt độ 7000C 45 Hình 3.8 Quan hệ độ hút vôi nhiệt độ nung điatomit 46 107 PHỤ LỤC GIẢN ĐỒ ĐO THỜI GIAN ĐẶC QUÁNH CỦA HỒ XI MĂNG Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 1000C (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 3000C (nhiệt độ thử HXM 750C) 108 Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 4000C (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 5000C (nhiệt độ thử HXM 750C) 109 Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 6000C (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 7000C (nhiệt độ thử HXM 750C) 110 Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 7500C (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 8000C (nhiệt độ thử HXM 750C) 111 Hình TGĐQ HXM G với 23% điatomit nung 8500C (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình 10 TGĐQ HXM G (nhiệt độ thử HXM 750C) 112 Hình 11 TGĐQ HXM G với 2% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình 12 TGĐQ HXM G với 4% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) 113 Hình 13 TGĐQ HXM G với 6% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình 14 TGĐQ HXM G với 8% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) 114 Hình 15 TGĐQ HXM G với 23% diatomit (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình 16 TGĐQ HXM G với 23% điatomit 2% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) 115 Hình 17 TGĐQ HXM G với 23% điatomit 4% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) Hình 18 TGĐQ HXM G với 23% điatomit 6% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) 116 Hình 19 TGĐQ HXM G với 23% điatomit 8% PGF (nhiệt độ thử HXM 750C) 117 PHỤ LỤC SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP ĐIATOMIT BIẾN TÍNH NHIỆT Biến tính nhiệt điatomit Trên sở kết nghiên cứu phòng thí nghiệm, đề tài tiến hành nung điatômít quy mô công nghiệp với nhiệt độ nung là: 700 ± 500C Lò nung thoi dùng nhiên liệu gas Phụ gia điatomit Phú Yên dạng cục gia công máy kẹp hàm đến kích thước cỡ hạt lớn thấp 0,5cm Sau đó, phụ gia trộn với 10% nước máy trộn ủ ngày Sau ủ, phụ gia tạo viên kích thước 220x220x110mm máy đùn ép chân không (hình 1) phơi khô (hình 2) đến đủ cường độ xếp lên xe goòng Viên điatomit xếp xe goòng thành hàng đan chéo để tạo rãnh cho lửa truyền vào toàn khối (hình 3) đưa vào lò nung Lò thoi thiết kế có vị trí đặt can nhiệt (đỉnh lò, lò cửa lò) để theo dõi nhiệt độ nung Đường cong nung phụ gia điatômit trình bày bảng hình Bảng Thời gian nhiệt độ nung điatomit TT 10 11 Thời gian, phút 30 60 90 120 150 180 210 240 300 330 Nhiệt độ đỉnh, độ C 67 150 250 350 450 600 770 800 450 250 75 Nhiệt độ giữa, độ C 38 120 210 320 410 550 750 750 400 200 50 Nhiệt độ cửa, độ C 28 100 195 250 390 500 700 700 350 150 35 118 Hình Tạo hình điatomit Hình Phơi viên điatomit sau tạo hình 119 Hình Điatomit xếp lên xe goong trước vào lò nung Hình Điatomit sau biến tính 120 1040 ND dinh ND giua ND cua Nhiet nung, C 910 780 650 520 390 260 130 -50 50 100 150 200 250 300 350 thoi gian nung, phut Hình Đường cong nung điatomit Diễn biến trình nung mẫu: - Thời gian đầu, không khí nóng có xu hướng lên can nhiệt đỉnh lò nhiệt độ cao so với cửa lò lò Khi nhiệt độ đỉnh lò đạt 600oC khu vực khác lò nhận lượng nhiệt tương tự phần đỉnh lò Lúc nhiệt truyền cho khối nung điatomit, phân bố nhiệt lò đồng hơn, can đo nhiệt độ tâm lò đỉnh lò có giá trị nhiệt độ Tăng tiếp nhiệt độ nung thấy can đo nhiệt đỉnh lò ổn định nhiệt độ 800oC, lò ổn định 750oC, cửa lò 700oC Giữ nguyên mức độ cung cấp nhiệt vị trí đặt can đo, nhiệt độ ổn định giá trị nêu Đây nhiệt độ nung cần đạt, nhiệt độ trì ổn định 30 phút để nhiệt đủ truyền vào tâm viên mẫu Nghiền mịn điatomit đánh giá tính chất sản phẩm - Nghiền mịn điatomit: viên điatomit sau nung làm nguội đến nhiệt độ môi trường dỡ theo lớp khoang: hàng trên, hàng hàng Trộn mẫu khoang nghiền máy nghiền đứng 5R Công suất máy nghiền tấn/giờ Độ mịn sản phẩm điatomit sau nghiền đạt nhỏ 10% lượng sót sàng 0,08mm Các mẫu sau nghiền bảo quản tránh ẩm để sử dụng cho việc chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 121 - Đánh giá tính chất sản phẩm: + Thành phần hóa học điatomit sau nung trình bày bảng Bảng Thành phần hóa học điatomít sản xuất công nghiệp Thành phần hóa học, % theo khối lượng Tên mẫu Điatomit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3 MKN 72,5 16,80 5,50 1,10 0,60 0,55 0,00 1,01 + Thành phần khoáng điatomit xác định phân tích Rơnghen Hình trình bày giản đồ phân tích nhiễu xạ Rơn ghen điatomit sản xuất thử công nghiệp Giản đồ nhiễu xạ Rơn ghen (hình 6) cho thấy, điatomit sau nung chứa chủ yếu pha SiO2 vô định hình, xuất píc quartz Hình Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen điatomit sản xuất thử công nghiệp ... biến tính đến tính chất điatomit - Nghiên cứu ảnh hưởng điatomit biến tính đến tính chất xi măng giếng khoan - Nghiên cứu ảnh hưởng hydroxit sắt mịn đến tính chất xi măng giếng khoan hình thành... tính chất hồ xi măng bơm trám, Đề tài Luận án " Nghiên cứu ảnh hưởng điatomit biến tính hydroxit sắt mịn đến tính chất xi măng giếng khoan" tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng điatomit biến tính hydroxit. .. 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit đến tính chất xi 48 măng giếng khoan 3.3 Kết luận chương 54 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 55 HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI 4.1 MĂNG GIẾNG KHOAN