Учёные создали экономичный облегчённый цемент с графеном

Разработка особенно актуальна для цементирования нетрадиционных нефтяных и геотермальных скважин — в частности, истощённых или работающих в условиях низкого давления при экстремально высоких температурах. Стандартные цементные растворы здесь не подходят: нужны составы с низкой плотностью, но одновременно с особыми механическими, реологическими и термическими характеристиками.

Сегодня для создания облегчённого цемента применяют разные материалы: летучую и кремнезёмную золу, полые стеклянные шарики, а также используют пеноцементы. В ходе исследования учёные проанализировали свойства таких составов и выделили наиболее перспективные компоненты: стеклянные микросферы — отличаются низкой плотностью и достаточной прочностью на раздавливание; нанооксид алюминия — повышает прочность, улучшает механические свойства и придаёт пуццолановые характеристики (водостойкость и устойчивость к агрессивным средам).

Особое внимание исследователи уделили графену: ранее было доказано, что он предотвращает термическое растрескивание цементных структур и существенно повышает их температуропроводность. В новом составе учёные использовали наногибрид графена и оксида алюминия, синтезированный методом соосаждения. Его сочетали с полыми стеклянными шариками, коммерческим жидким наполнителем и компонентом для снижения плотности цемента.

Для приготовления раствора применяли смеситель постоянной скорости — он обеспечивал равномерное перемешивание всех компонентов с поддержанием стабильного сдвига. Затем специалисты детально изучили образцы: проанализировали их морфологию, структуру, химический состав, время загустевания, водоотдачу, содержание свободной воды, а также реологические, механические и тепловые свойства.

Результаты экспериментов показали повышение термостойкости цементного камня при высоких температурах, рост критической прочности материала, оптимизация плотности раствора, улучшение водоотдачи и теплопроводности.

Важное преимущество нового состава — экономическая эффективность. Себестоимость облегчённого цемента с графеном заметно ниже, чем у вспененных аналогов или композиций со стеклянными микросферами. Кроме того, наногибрид позволяет избежать ряда технологических сложностей: изменения плотности под давлением в скважине, необходимости использовать сложные системы закачки азота, применения технологий вспенивания.

Таким образом, разработанный состав открывает новые возможности для цементирования высокотемпературных геотермальных и нетрадиционных скважин — он сочетает высокую прочность, требуемые термические и реологические свойства, оптимальную текучесть и экономическую выгоду.