РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: Поважчені тампонажні цементи і розчини. - Геологія - Реферати - Каталог статей

Поважчені тампонажні цементи і розчини. Попередження ускладнень під час цементування свердловин досягається регулюванням протитиску на пласти. Це особливо актуально для розрізів де наявні пласти з АВПТ і вирішення проблеми можливе тільки з використанням тампонажних розчинів підвищеної густини. Для приготування таких розчинів необхідно підвищувати густину дисперсійного середовища або твердої фази. В абсолютній більшості випадків використовують другий варіант, підвищуючи густину за рахунок: додаванням до цементу поважчувачів, шляхом їх змішування у сухому вигляді використання рудних цементів збільшення кількості оксиду заліза в портландцементі сумісний помел клінкера з поважчуючими добавками З використанням першого способу цементи приготовляють на бурових підприємствах, і в більшості випадків, якість таких сумішей незадовільна, а їх приготування пов’язано з великими витратами. Крім того, суміш на основі не молотих поважчуючих добавок, дають нестабільний, седиментаційно нестійкий розчин, що відбивається на технології приготування суспензії та якості цементування свердловин. Другий і третій способи застосовуються нечасто, оскільки потребують внесення змін в технологію виробництва цементу та використання спеціальної сировини. Найчастіше використовують останній спосіб коли такі цементи виробляють на цементних заводах і якість таких сумішей достатньо висока. Сьогодні використовують декілька основних видів поважлених цементів, які призначені для тампонування свердловин в певних умовах. ПОВАЖЧЕНИЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ ПОМІРНО ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР. Поважчений цемент (УЦГ) призначений для тампонування свердловин при температурі до 100С. В основі цієї суміші використовується тампонажний портландцемент а поважчувач – розмелена залізна руда. Ця поважчуюча добавка вибирається з умови її відносно високої густини, а також через здатність Fe2O3 утворювати високоміцні феритні і алюмоферитні гідро гранати, які є стійкими в сульфатних видах. Строки схоплення розчинів з цементно – рудної суміші ( табл.. ІІ. 7 с.179) визначаються схоплення цементу і незначно змінюються від добавки руди. Так, при t=200 С початок схоплення розчину з чистого цементу 9 год., а початок схоплення розчину з суміші цемент – руда у співвідношенні 50:50 в межах 8,5 год., а суміші 40:60 – 9 год. При t – 750С характер зміни термінів схоплення аналогічний. На рис. 35 показана зміна міцності каменя, який твердів 3 доби при t- 200С (а) і 2 доби при t – 750С (б) і атмосферному тискові, в залежності від вмісту в цементі руди та її питомої поверхні. При 200С міцність на згин при вмісті руди в суміші 50 та 60% зменшується на 10 і 20% відповідно у порівнянні з міцністю каменя з цементу без домішок. Подальше підвищення добавок руди ( до 70%) призводить до зниження міцності на згин до 50% і більше. Міцність на стик зменшується при додаванні руди інтенсивніше: на 14% коли вміст руди в суміші 50%, і на 40% коли добавка руди складає 60%. При t – 750С дводобова міцність каменя на згин та стиск зменшується приблизно пропорційно вмісту руди. Зниження міцності в інтервалі добавок руди від 0 до 70% складає 0,85% на кожний відсоток добавки руди. На рис. 36 зображена залежність міцності каменя від питомої поверхні руди. Зі збільшенням тонкості помелу руди міцність каменя незначно зменшується. Питома поверхня руди практично не впливає на міцність каменя, який сформувався з тампонажного розчину з різною розтічністю. Зі збільшенням тонкості помелу руди газопроникність каменя дещо підвищується. На рис. 37 зображена залежність густини розчину та водоцементного відношення від питомої поверхні і вмісту руди в суміші. Зі збільшенням тонкості помелу руди пропорційно зростає водоцементне відношення і зменшується густина розчину. Поданий графік можна використовувати для підбору рецептури суміші при заданій густині розчину. ПОВАЖЛЕНІ ШЛАКОВІ ЦЕМЕНТИ. Поважлені шлакові цементи призначені для цементування гафтових і газових свердловин з пластовими температурами 80 – 2200С, і в тому числі для ізоляції соленосних відкладів, які складені галітом та галітом з домішками солей магнію. При необхідності температурний діапазон використання цементів може бути розширений до 3000С. В’яжучою основою в цементі t доменний шлак, активуючою добавкою – портландцемент або клінкер, поважчувачем – залізна руда Криворіжського залізнорудного комбінату. Встановлено, що питома поверхня руди практично не впливає на міцність каменя, хоча спостерігається тенденція зменшення міцності зі зростанням питомої поверхні руди, особливо це проявляється при t > 1200С. Міцність на стик цементного каменя, який твердів при t = 220С і атмосферному тискові протягом 3 діб у воді, зі збільшенням питомої поверхні і кількості руди пропорційно зменшується з 2,2 – 1,1 МПа. При t – 750С міцність каменя з поважленого цементу збільшується і досягає 3,2 – 5,8 МПа при згині і 7 – 12 МПа при стиску. Причому з підвищенням вмісту руди в суміші до 50-60% дводобова міцність каменя збільшується. Це відбувається внаслідок позитивного впливу SiO2 іFe2O3, які вміщуються в руді в кількості відповідно 20 – 22 і 60 – 65%. Максимальна міцність забезпечується при вмісті руди в суміші 50 – 60%. Такі ж дози руди дозволяють отримати поважчений розчин густиною 2060 – 2200кг/м3, а міцність каменя на згин при цьому більше 2,5 і на стик 7МПа. Зі збільшенням t0 твердіння до 120 – 2000С міцність каменя різко збільшується, досягаючи 22 – 38МПа при стику та 5,8 – 10,9МПа при згині. При t0160 – 2000С активація поважленого шлакового цементу добавками портландцементу виключена, оскільки міцність каменя і без портландцементу достатня і перевищує при згині 5 – 6, а при стику більше 15МПа. Дослідження показали, що цементи сумісного та окремого розмелювання за якістю рівнозначні. Для отримання розчину густиною 2060 – 2150 кг/м3 оптимальна питома поверхня цементу повинна бути в межах 220 – 240 м2/кг. Щоб отримати розчин густиною 2160 – 2250 кг/м3, необхідно мати цемент грубішого помелу з питомою поверхнею 200 ± 10м2/кг. При використанні в якості в’яжучої основи звичайних шлаків густиною 2850 – 2950 кг/м3 густина поважчувача повинна бути не меншою, ніж 4500 – 4600 кг/м3. В такому випадку можна отримати суміш для приготування розчину густиною 2300 – 2400 кг/м3. При t 70-800С цементи можна використовувати без сповільнення термінів схоплення, оскільки час початку схоплення за таких умов не менше 2 годин. При 1200С добавки 0,1 – 0,2% ССБ та хром піку час початку схоплення можна збільшити до 2,5 – 5 год. Коли t0 досягає 2000С дозу ССБ та хром піку необхідно збільшити до 0,3 – 0,6%. Детальніша інформація про умови застосування поважчених цементів та їх окремі властивості подана в табл.. ІІ. 8. с. 183. Добавка ССБ і хром піка пластифікує цементний розчин, в результаті чого зменшується гідравлічний опір в процесі закачування його в свердловину. Поважчені розчини мають понижений, у порівнянні зі звичайними, водовміст, і зазвичай, повинні вміщувати добавки пластифікаторів. В (табл.. ІІ. 9 с.184) подана класифікація поважчених цементів за густиною розчинів та умови їх застосування, а також технічні вимоги відповідно до вимог ТУ 39 – 01 – 08 – 535 – 80. Перша цифра після буквенного позначення вказує на тип цементу (1 чи 2) за густиною розчину, цифра після дефісу означає температуру випробування цементу (для УШЦ). Для регулювання термінів схоплення, крім ССБ, хром піку, гірану можуть використовуватись СВК, окзил, КССБ, і т.п. Добавка реагентів, які загущають розчин, повинна обмежуватись або вводитись у розчин в комбінації з розріднювачами, наприклад КМЦ + ССБ. Цементи приготовляють на прісній мінералізованій воді, або на насиченому розчині хлористого натрию. Рідину замішування у змішувальну камеру машини 2СНМ – 20 рекомендується подавати під тиском 2 – 3,5 МПа, що забезпечує якісне приготування розчину. Час очикування твердіння поважченого цементного розчину, рекомендується вибирати на підставі даних ( табл.. ІІ. 10. с. 184). ПОВАЖЧЕНІ ТАМПОНАЖНІ ЦЕМЕНТНО – І ШЛАКО – БАРИТОВІ РОЗЧИНИ. В деяких випадках за відсутності поважленого цементу в якості поважчуючої добавки до цементів використовують немолотий магнетитовий пісок. Додавання магнетиту дає можливість отримати розчини високої густини. При високих t0 і тисках водовід ділення ( як характеристика седиментаційної стійкості) цементно – і шдако – баритових розчинів на 20 – 30% менше, ніж розчинів, поважчених магнетитовим піском. Добра стабільність, поважчених баритом розчинів, пояснюється більшою дисперсністю та гідрофільністю баритових частинок, порівняно з магнетитовими. Сольватні оболонки, які утворюються навколо баритових частинок, сприяють їх ,,плавучості”, і як наслідок підвищують седиментаційну стійкість суспензії. Таким чином, підвищення густини тампонажних розчинів краще використовувати технічний барит, ніж немолотий магнетитовий пісок. Суміші з баритом призначені для тампонування нафтових і газових свердловин з аномально високими градієнтами тисків ( до 0,021 МПа/м) при t20 – 2000С . Для цементування свердловин з вибійними температурами 70 – 1000С рекомендуються суміші цемент – барит у співвідношенні від 2:1 до 1:1, а для свердловин з t 100 – 2000С суміш шлак – барит у такому ж співвідношенні. При складі суміші 2:1 приготовлюють розчин густиною 2000 – 2100 кг/м3, а при співвідношенні 1:1 – 2100 – 2180 кг/м3. Фізико – механічні властивості цементо – і шлако – баритових сумішей подані в ( табл.. ІІ. 11.с. 187). Суміші цемент барит у співвідношеннях 2:1 і 1:1 мають задовільну міцність каменя при t0 75, 1000С. Терміни схоплення цементо – баритових розчинів регулюються добавками ССБ і хром піку чи іншими сповільнювачами. Ці ж суміші з добавками ССБ і хром піку при t = 120 – 2000С мають міцність каменя на згин більше 23МПа. Дослідженнями встановлено, що добавки ССБ і хром піку в 1,9 – 2,4 рази зміцнюють камінь на згин. При чому, диспергуючий вплив ССБ більше проявляється на залежаних шлаках, ніж на шлаках свіжого розмелювання. ПОВАЖЧЕНІ ТАМПОНАЖНІ РОЗЧИНИ НА ОСНОВІ ШЛАКІВ КОЛЬОРОВОЇ МЕТАЛУРГІЇ. Дослідження показали, що для цементування високотемпературних свердловин з АВПТ в якості в’яжучих речовин можна використовувати шлаки кольорової металургії, частково відходи виплавки свинцю і міді. Досліджувались шлаки Чимкентського свинцевого заводу такого хімічного складу: 34% SiO2, 1,5%Al2O3, 40,5% FeO, 21%CaO, 1%MgO, 1,5%Pb. Ці шлаки відрізняються в 1,5 – 2 рази меншою, ніж у доменних гранульованих шлаків, основністю та високим вмістом закису заліза. Останній чинник і є причиною високої густини шлаку ( 3800 – 3900 кг/м3). На заводі шлак піддається грануляції, тому характеризується високим вмістом склоподібної фази, внаслідок чого його розмелюють до питомої поверхні 210 – 300 м2/кг. Схильність свинцевого шлаку до розмелювання приблизно така чи, як і гранульованих доменних шлаків. В табл.. ( ІІ. 12. с. 187) подані властивості тампонажних розчинів, які приготовлені зі свинцевого шлаку. З такого в’яжучого матеріалу можна отримати поважчені розчини густиною 2160 – 2270 кг/м3, а при використанні реагентів – розріднювачів, густину розчину можна підняти ще більше. Густина шлакового розчину залежить від питомої поверхні шлаку. Так, при питомій поверхні 200м2/кг густина шлакового розчину без добавок, розтічністю 180 – 190 мм дорівнює 2290кг/м3, з питомою поверхнею 230м2/кг – 2250кг/м3, а з питомою поверхнею 300м2/кг – 2200кг/м3. Такі величини густини тампонажних розчинів на основі портландцементу і доменного шлаку можна приготувати лише з добавкою ефективних поважчувачів. Гідравлічна активність свинцевого шлаку нижча, ніж гранульованих доменних шлаків. При t – 2000С і тиску 50МПа початок схоплення свинцевого шлаку наступає через 5,5 годин. Сповільнювачі термінів схоплення шлаку – хромпік та його суміш з гіпаном і ССБ. Поважчені шлаки, оброблені такими реагентами, мають необхідний термін схоплення до 2500С. Для застосування шлакового розчину при t нижче 2000С необхідно прискорювати його твердіння. Ефективними прискорювачами є кальцинована сода, гранульований доменний шлак, портландцемент. Шлакові розчини з такими добавками можна використовувати при t від 80 до 180 – 2000С. Міцність шлакового каменя на стик через 48 год. твердіння досягає 20МПа. Підвищити її при t 120 – 2000С можна добавкою розмеленого кварцового піску. В табл.(ІІ. 13 .с. 188) подані результати дослідження властивостей шлако – магнетитових і шлако – піщаних сумішей сумісного помелу. Терміни схоплення поважчених шлакових розчинів регулюються додаванням сповільнювачів – ССБ і хромпіку. ССБ, крім того, розріднює поважчені розчини, та зменшує водовміст. Магнетитовий пісок більше сповільнює терміни схоплення розчинів у порівнянні з кварцевим. Міцність на згин каменя з шлаку сумісного помелу досить висока, і лише в 1,5 – 3 рази менша міцності на стик. Міцність каменя з сумішей важкого шлаку і кварцево – магнетитового піску менше ніж кварцового, оскільки магнетит менше активний у порівнянні з кварцевим піском. Густина суміші з шлаку і кварцево – магнетитового піску вища за густину суміші шлаку і кварцового піску. За даними табл. ІІ.12 встановлено, що у випадку потреби приготування шлакового розчину густиною не більше 2150кг/м3, доцільно застосовувати суміші шлаку з кварцевим піском, оскільки вони володіють кращими фізико – механічними властивостями. ПОЛЕГШЕНІ ТАМПОНАЖНІ ЦЕМЕНТИ І РОЗЧИНИ. Способи пониження густини ТР. Тампонажні розчини це багатокомпонентні системи, густина ( об’ємна маса) яких залежить від густини вихідних компонентів та їх об’ємного ( або масового) співвідношення в суспензії. Зменшити густину ТР можна збільшенням вмісту рідини змішування по відношенню до твердих компонентів, за умови що густина рідини менша густини компонентів. Інших випадказменшити густину ТР можна наступним чином: заміна частини або всієї рідини замішування рідиною меншої густини заміна всієї або частини в’яжучої речовини на в’яжучу речовину меншої густини заміна всієї або частини добавки на добавку меншої густини заміна частини в’яжучої речовини на спеціальну добавку меншої густини заміна частини об’єму твердих і ( або) рідких фаз на газоподібну фазу. Вибір того чи іншого способу пониження густини залежить від умов застосування, технологічних можливостей та економічної доцільності. При використанні тампонажних матеріалів на основі мінеральних в’яжучих речовин можливості регулювання густини виробом їх виду обмежені, якщо брати до уваги тільки їх густину. Для наглядності нижче подана густина основних в’яжучих речовин, мінеральних добавок та речовин органічного походження. а) густини основних в’яжучих речовин, кг/м3 портландцемент ний клінкер................................................ 3100 – 3200 доменний шлак....................................................................... 2700 – 3000 гіпс напівводяний.................................................................... 2200 – 2400 вапняно - кремнійземлистий цемент..................................... 2300 – 2400 гіпсо-глиноземлистий цемент................................................ 2600 – 3800 шлако-піщаний цемент........................................................... 2700 – 2900 б) густини основних мінеральних добавок, кг/м3 кварцовий пісок...................................................................... 2600 – 2700 вапняки, крейда....................................................................... 2200 – 2800 діатоліт, трепел, опока............................................................ 2100 – 2500 паливні зони............................................................................. 2000 – 2400 вулканічні породи (пемза, туфи, траси, перліти) .................. 2200 – 2700 в) густини окремих твердих речовин органічного походження, кг/м3 кам’яне вугілля............................................................................. 1200 – 1500 кам’яновугільний кокс................................................................. 1200 – 1400 кам’яновугільний пек................................................................... 1200 – 1300 бітум, тверді асфальти.................................................................. 1000 – 1300 При необхідності понизити густину ТР на основі портландцементу з 1830кг/м3 при W = 0,5 до 1500 кг/м3 можна скористатись різними методами. В першому випадку цього можна досягнути шляхом заміни 90% портландцементного клінкера на найменшу з мінеральних добавок – пилоподібну золу, в другому варіанті замінити 46% клінкера на порошкоподібне кам’яне вугілля, в третьому випадку – додати до розчину 20% газової фази від початкового його об’єму, і останнє – збільшити водомісткість до 1,05. За результатами аналогічний досліджень очікувалась міцність ТК у кожному випадку через дві доби твердіння та на його кінцевій стадії. Було встановлено, що отримання густини в межах 1500кг/м3 необхідно ввести настільки багато золи, що ТР практично не затвердієває. Тому з використанням таких добавок найдоцільніше понижувати густину розчину тільки до 1700 кг/м3, але і цьому випадку отримують ТК низькою міцністю. Якщо використовувати добавки органічного походження густиною 1300 – 1400 кг/м3, то можна приготувати розчини густиною 1500 кг/м3, які затвердівають до тампонажного каменя з низькою, але в багатьох випадках достатньою міцністю. Якщо в якості добавок використовувати матеріали густиною 900 – 1000 кг/м3 ( наприклад поліетиленову крихту), то густину розчину 1500 кг/м3 можна отримати при заміні біля 25% клінкера, але міцність ТК тоді низька і близька до міцності у випадку збільшення водомісткості розчину. Більшу міцність ТК отримують при пониженні густини введенням повітря в розчин. Суттєва вада керованих тампонажних розчинів – їх стискуваність. На великих глибинах, де великі гідростатичні тиски, об’єм керованого тампонажного розчину суттєво зменшується, а густина збільшується. Цю ваду можна усунути, якщо пухірці повітря чи іншого газу помістити в міцні оболонки. Найчастіше використовуються пластмасові, скляні, керамічні та кварцеві мікро балони ( мікро капсули). Для ефективного пониження густини зі збереженням високої міцності необхідно, щоб густина мікробалонів знаходилась в межах 600 кг/м3. Тоді для отримання ТР густиною 1500 кг/м3 достатньо замінити ними 14% маси портландцементного клінкера. Міцність ТК в такому випадку достатньо висока. Такий спосіб дозволяє приготовляти ТР з низькою густиною зі збереженням задовільних властивостей каменя. Так, замінивши мікробалонами тільки 25% маси портландцементного клінкера,при незмінному водовмісні, можна отримати тампонажний розчин густиною 1200 кг/м3, а міцність каменя буде близькою до міцності у випадку густини розчину 1500 кг/м3 з поліетиленовою крихтою. Подальший резерв підвищення міцності ТК полягає у застосуванні мікробалонів з жорсткою ( кавернозною) поверхнею. Однак, це неможливо суміщати з їх низькою густиною, оскільки для цього необхідна більша товщина оболонки. Але такі частинки густиною 800 – 1000 кг/м3 утворюють спинені керамічні матеріали ( керамзит, аргіліт) при розмірі зерен біля 1мм. Для отримання розчину густиною 1500 кг/м3 достатньо замінити спіненим аргілітовим піском 25% портландцементного клінкера. При цьому зберігається доволі велика міцність ТК. Таким чином для пониження густини ТР: до 1650 – 1700 кг/м3 доцільно використовувати всі відомі способи до 1400 – 1600 кг/м3 доцільно застосовувати полегшуючі добавки густиною менше 2000кг/м3 підвищувати водовміст, а на невеликих глибинах також використовувати керування розчину нижче 1400 кг/м3 бажано використовувати порожні або газонаповнені мікробалони. Підвищення водовмісну звичайної портландцементної суспензії неминуче пов’язано з погіршенням її седиментаційної стійкості. При W = 0,55 проявляється помітне водовід ділення, яке при 0,6 досягає недопустимих значень. Швидкість фільтрації рідини через суспензію можна зменшити підвищивши в’язкість рідини та ступінь дисперсності твердої фази. Ці обидва прийоми використовують для приготування ТР з високим водовмістом. Для підвищення в’язкості рідкої фази у воді розчиняють ефіри целюлози, препарати на основі крохмалю, акрилатів і т.п. Додаючи достатньо велику кількість таких добавок можна досягнути W = 1 зі збереженням необхідної водоутримуючої здатності ТР. Вада цього методу – одночасне сильне сповільнення схоплення яке важко компенсувати прискорювачами. Більше ефективне додавання до складу ТР спеціального тонко дисперсного компонента, який адсорбує на своїй великій поверхні надлишкову, у порівнянні з допустимою кількістю, воду. Такий тонко дисперсійний компонент можна отримати безпосередньо у рідині замішування в результаті хімічної реакції типу: Na4SiO4 + 2CaCl2 + 2H2O = Ca2SiO4 х 2H2O + 4NaCl В цьому випадку тонкодисперсний осад гідросилікату кальцію утворюється з молекулярних розчинів силікату натрію і хлору кальцію. Подібні тонкодисперсні осади можна отримати з алюмінату натрію та інших солей. Інший спосіб полягає в утворенні тонкодисперсних осадів під час реакції солей, доданих в рідину замішування, з гідрооксидом кальцію, який виділяється при гідролізі мінералів портландцементу. Ці реакції мають такий вигляд: MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2 FeCl2 + Ca(OH)2 = Fe(OH)2 + CaCl2 ZnCl2 + Ca(OH)2 = Zn(OH)2 + CaCl2 CuSO4 + Ca(OH)2 = Cu(OH)2 + CaSO4 Перші дві реакції прискорюють схоплення суспензії, дві другі – сповільнюють, однак інші цементи, наприклад, шлакові, можуть інакше змінювати ці процеси. Використання зазначених способів дозволяє понизити густину портландцементного розчину до 1600 кг/м3. Значно частіше тонкодисперсні добавки, які фізично зв’язують додатково введену для пониження густини розчину воду, використовують у вигляді тонкодисперсних порошків, зменшуючи їх з базовим тампонажним матеріалом або водою замішування. Ці добавки головним чином перешкоджають седиментаційному та фільтраційному ( під дією перепаду тиску) водовід діленню. Однак, необхідно вибирати такі тонко дисперсні порошки, власна густина, яких менша за густину базового тампонажного матеріалу. При цьому досягається додаткове пониження густини ТР. Найчастіше з числа таких полегшуючих добавок застосовують глини, тонко дисперсні кремній землисті матеріали природного ( осадкові породи – опоки, трепел, діатоміт) та штучного ( селикагель) походження, рідше застосовують крейду. ГЕЛЬЦЕМЕНТНІ РОЗЧИНИ. Гельцементними називають розчини, які в якості полегшуючої добавки вміщують добавки високо колоїдних, в основному монтморілонітових (бентонітових) глин. Густина таких глин 2300 – 2600 кг/м3 і їх вводять до 20% від маси твердої фази суспензії. Тому пониження густини за розрахунок додавання компонента дещо меншої густини, незначне і досягається в основному за рахунок значного збільшення водовмісту гельцементного розчину в порівнянні з звичайним. Добавка до тампонажного цементу 5 – 6% бентоніту дозволяє приготувати седиментоційно стійкі розчини з W = 0,7 – 0,75 густиною 1600 – 1700 кг/м3 додовання 20 – 25 % бентоніту дозволяє підвищити Wдо 1,3 – 1,5 і понизити густину розчину до 1300 – 1400 кг/м3 . Седиментаційна стійкість надто розведених гельцементних розчинів обумовлена високою дисперсністю частинок монтморилоніту у воді (S =8 х 105 м2/кг), особливими властивостями їх поверхні і формою ( висока анізометричність) , що в сукупності забезпечує якісну структуроутворюючу здатність. Добре диспергований бентоніт утворює в цементному розчині самостійну коагуляційну структуру, в якій розташовані частинки цементу. В подальшому така структура руйнується в результаті коагуляційної дії іонів кальцію і змінюється на структуру твердіючого ТК. При водовмісні гель цементних розчинів 0,4 – 0,5, що забезпечує його необхідну консистенцію і за величиною такий же, як у звичайних портландцементів, почасткова швидкість водовідділення в декілька разів менша. Добавка бентоніту в значно більшій мірі підвищує опір фільтраці, ніж збільшує в’якість, що можна пояснити яскраво вираженою тиксотропією коагуляцій них структур монтморилоніту. Гель цементні розчини пониженої густини можна приготувати трьома способами: замішуванням на воді сухої суміші цементу та глинопорошку, змішуванням цементу на раніше приготовленій глинистій суспензії ( глинистому розчині) і змішуванням глинистого та цементного розчинів. У другому та третьому випадках для досягнення рівномірної седиментаційної стійкості достатньо в 2 – 3 рази меншої кількості добавки. В табл.. ІІ. 2 ( с.169) подані дані про водопотребу деяких глинопорошків при додаванні їх в цементний розчин у вигляді завчасно ( за одну добу) приготовленого глинистого розчину , та у вигляді глинопорошку в суміші з цементом. На рис. 34 (с.170) зображені криві загустіння тампонажних розчинів, в які бентоніт був доданий як у вигляді порошку ( у суміші з цементом), так і у гідратованому вигляді ( завчасно приготовлена суспензія). Додавання бентоніту в гідратованому вигляді не тільки підвищує вихідну консистенцію, але й прискорює запустіння. При додаванні бентоніту у вигляді порошку прискорення запустіння спостерігається при більш високих t0 – рах. У звичайних умовах твердіння ( при невеликих температурах і за відсутності агресивних середовищ ), вплив добавки бентоніту, якщо додають не більше 8%, на міцність та проникність ТК незначний. Ці показники залишаються приблизно такими ж, як у розчину цементу без добавок при таких же значеннях водовмісту. Міцність ТК знижується, а водопроникність зростає, але незначно, в порівнянні зі змінами за рахунок підвищення водовмісту. Спосіб додавання бентоніту суттєво не впливає на міцність та водопроникність ТК. Вадою гельцементних розчинів пониженої густини є низька температура та корозійна стійкість ТК. Різке зниження міцності при підвищеній температурі твердіння розпочинається раніше і відбувається швидше, ніж у розчині зі звичайного цементу. Значно швидше цементний камінь з гельцементу руйнується під дією агресивного сольового середовища, особливо за присутності іонів Mg2+. Кращою, у порівнянні з бентонітовими, термо та солестійкістю володіють тампонажні розчини в яких полегшуючою добавкою служить палигорскіт (атапульгіт). ТАМПОНАЖНІ РОЗЧИНИ З КРЕМНІЙ ЗЕМЛИСТИМИ ПОЛЕГШУЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. Основна вада пуццоланових цементів ( в’яжуча речовина для будівельних розчинів та бетонів) – висока водопотреба. Це було основною причиною їх використання для приготування ТР пониженої густини. З пуццоланових добавок найбільшою водопотребою володіють діатоміти та подібні до них матеріали. Вони часто застосовуються в тампонажних розчинах пониженої густини. Діатоміти за походженням осадкові породи, які складаються в основному з панцерів мікроскопічних діатомітових подорослів. В 1см3 діатоміту може вміщуватися до 30млн. панцерів( кисатиський діатоміт). Внаслідок цього діатомітів порошок має велику питому поверхню, що дає можливість введення в діатоміто-цементний розчин більшої кількості води без втрати седиментаційної стійкості системи. Перевага діатоміту у порівнянні з бентонітом полягає в тому, що діатоніт складається виключно з активного мікрокристалічного кремнезему, який зв’язує гідрооксид кальцію, що виділяється при гідролізі мінералів портландцементу, з утворенням гідросилікату. Реакція приєднання з утворенням гідросилікату відбувається при низькій t0 і протікає повільно. Ca(OH)2 + SiO2 + nH2O = CaO + SiO2 (n + 1) х H2O При тривалих термінах твердіння камінь має більшу міцність, ніж на основі гель цементу, за рахунок утворення додаткової кількості в’яжучої речовини. З підвищенням t0 ця реакція значно прискорюється, і ТК швидко набирає міцності. Крім діатоміту в якості полегшуючих добавок використовують також інші кремній землисті породи осадкового походження – трепел і опока, а також промислові відходи у вигляді тонко-дисперсного кремнезему ( силікагель). Водопотреба кремній землистих полегшуючих добавок нижча, ніж у високоякісних бентонітів ( табл.. ІІ. 3. с. 172) і для отримання розчинів однакової густини необхідно вводити значно більшу кількість цих добавок, ніж бентоніту. ПРОЕКТУВАННЯ СКЛАДІВ ПОЛЕГШЕНИХ ТАМПОНАЖНИХ ЦЕМЕНТІВ І РОЗЧИНІВ. Здатність тампонажного розчину з високим водовмістом протидіяти седиментації та фільтрації – одна з його найважливіших характеристик. Проектуючи склад полегшеного тампонажного розчину, перш за все необхідно виконати умову його достатньої седиментаційної стійкості. За норму седиментаційної стійкості можна прийняти початкову швидкість водовідділення розчину зі звичайного тампонажного цементу. Метод розрахунку складу тампонажного розчину полягає у порівнянні швидкості водовідділення проектного розчину зі швидкістю водовідділення стандартного розчину: де ссц, св, спц, ср – відповідно густини стандартного цементу, води, проектного цементу та рідкої фази проектного розчину, кг/м3 ?ср, ?пр – відношення об’єму рідкої фази проектного розчину до об’єму стандартного та проектного розчинів щсц, щпц – коефіцієнт імобілізованої води, відповідно для стандартного та проектного цементів Sсц, Sпц – питома поверхня твердої фази відповідно для стандартного та проектного цементів, м2/кг зв, зр – в’язкість води та відповідно рідини замішування проектного розчину, Па с Значення питомої поверхні та коефіцієнта імобілізованої води щ для найчастіше використовуваних тампонажних матеріалів подана в таблиці ( ІІ. 4. с. 173) Коефіцієнт щ для суміші компонентів – адитивна величина. Це означає, що при 40% добавки опоки в суміші з портландцементом коефіцієнт імобілізованої води для суміші буде розрахунковим. щ = 0,6 х 0,33 + 0,4 х 0,25 = 0,3 Запропонованим методом розрахунку складу тампонажних цементів і розчинів зручно користування для орієнтованого визначення кількості полегшуючої добавки, яка необхідна для стабілізації полегшеного тампонажного розчину з підвищеним водовмістом, якщо відома питома поверхня добавки. Його можна також використовувати для визначення граничного водовмісту тампонажного розчину за відомого складу та питомої поверхні цементу і добавок. В усіх розрахунках можна прийняти для тампонажного портландцементу ссц= 3150 кг/м3 а Sсц =320 м2/кг, а для самого розрахунку використовується метод послідовного наближення. Для порівняння вибирають тампонажний розчин з портландцементу, який вважається достатньо седиментаційно стійким при W=0,5. Розрахунок складу полегшеного цементу повинен передбачати максимальний вміст в штучному камені зв’язуючої речовини, для чого полегшуюча добавка повинна як найповніше брати участь в синтезі зв’язуючого – силікату кальцію. Розрахунок кількості діатоміту, яку необхідно додати до цементу для забезпечення седиментаційної стійкості при високих W1 показує ( табл.. ІІ. 5. с. 174), що для отримання густини 1500 – 1600 кг/м3 такої кількості діатоміту недостатньо, щоб забезпечити температурну стійкість. Оптимальний у відношенні термостійкості вміст діатоміту ( відношення маси добавки до маси цементу бg = 0,7 – 0,8) забезпечує седиментаційну стійкість при W = 1,2 – 1,4 і густину розчину 1300 – 1400 кг/м3. Для отримання густини розчину менше 1300 кг/м3 необхідно додавати значно більше діатоміту, ніж його може зв’язуватись в гідросилікати під час реакції з продуктами гідратації цементу. Це означає, що більша частина діатоміту залишається незв’язаною, а при цьому погіршуються властивості ТК. Для отримання розчину густиною не більше 1500 кг/м3 достатньо додати невелику кількість діатоміту. Якщо твердіння такого тампонажного розчину відбувається при t0 нижче 40-500С, то швидкість реакції синтезу гідросилікату за участі добавки невелика, а менше розведення в’яжучої речовини сприяє прискоренню твердіння. При вищих t0 бажано, а більше 1000С необхідно підтримувати вміст кремнезему в суміші більшим, ніж це виходить за розрахунком на седиментаційну стійкість. Діатоміт можна додавати до розчину і понад мінімально необхідну кількість, однак це призводить до погіршення прокачуваності і зменшення терміну запустіння. Кремнезем, якого не вистачає, можна додати до розчину у кристалічній формі, наприклад у вигляді розмеленого кварцового піску. В такому випадку можна забезпечити поєднання всіх необхідних властивостей – седиментаційну стійкість, достатньо великий термін запустіння, порівняно висока міцність та довговічність каменя. Іншій метод розрахунку складу розчину полягає у використанні менше хімічно активних кремній землистих матеріалів, до яких , наприклад, належать трепел і опока. Вони мають більшу густину та важко подрібнюються. Під час сумісного помелу з клінкером, який розмелюється до питомої поверхні S=300-350 м2/кг, діатоміт подрібнюється до S = 2400 – 2600 м2/кг, а опока до S=1400 – 1800 м2/кг. Як видно у таблиці (ІІ.5), це дає можливість приготовляти розчини густиною 1500 – 1600 кг/м3 з вмістом опоки в суміші 40 – 50%, тобто близькому до оптимального у відношенні температурної стійкості. Одночасно термін запустіння розчину з опокою значно більший, ніж розчину з діатомітом, а швидкість зростання міцності вища ніж у випадку комбінованої добавки, якщо кількість кварцового піску достатньо велика. Для отримання максимальної міцності і мінімальної проникності ТК в процесі приготування розчину з високим водовмістом необхідно дотримуватись таких рекомендацій: всі речовини, які входять до складу цементу, повинні брати участь у синтезі структури каменя. Інертних речовин у складі в’яжучого не повинно бути вихідні компоненти цементу повинні мати найменшу густину. Це дасть можливість понизити водовміст з одночасним збереженням необхідної густини суспензії цемент повинен бути швидкотвердіючим, щоб величина ступеня гідратації, в як найкоротший термін досягнула 1 необхідно вибирати таку в’яжучу речовину, тверда фаза якої в моноліті найміцніша, відносно збереження об’єму твердої фази в результаті гідратації максимальне, а ізотропність матеріалу найбільша. Отже, необхідно намагатись застосовувати такі в’яжучі речовини, які дають найбільшу міцність зв’язків структури та максимальний вихід зв’язуючого матеріалу з одиниці об’єму вихідної суміші. Для отримання мінімальної водопроникності бажано щоб питома поверхня твердої фази, вихідного цементу та його новоутворень були як найбільшими. Гідрооксид кальцію, який виділяється в процесі гідролізу силікатів кальцію в цементі, є баластом, тобто інертним складником. До таких же речовин у звичайному цементному камені належать гідро алюміній та гідроферити, які кристалізуються в кубічній сингонії, а також гідро гранати, що утворюються під час реакції продуктів гідратації з SiO2. РОЗШИРЮЮЧИ ТАМПОНАЖНІ ЦЕМЕНТИ. Тампонажний камінь з багатьох видів цементів володіє тенденцією до деформації усадки, що є небажаним під час використання тампонажних робіт. Тому доцільно було б надавати різним за складом тампонажним матеріалом властивості розширятись під час твердіння. Важливо зауважити, що величина розширення тампонажних цементів повинна бути значно більшою у порівнянні, наприклад, з будівельними, оскільки поперечне січення каменя в кільцевому просторі свердловини має малі розміри. Ефективне ущільнення фільтраційної кірки промивальної рідини і зміцнення контакту з гірськими породами для забезпечення герметичності кріплення свердловини залежить від величини розширення каменя на що безпосередньо впливає співвідношення товщин каменя та фільтраційної кірки. Оскільки тампонажний камінь є пористим тілом, то зміна його зовнішнього об’єму може відбуватись без зміни істинної густини окремих фаз за рахунок зміни співвідношення об’ємів фаз з різною густиною, а саме за рахунок збільшення об’єму порового простору. Таке розширення ТК може бути наслідком дії власних напружень, які призводять до деформації структури. Якщо ці напруження виникають у відносно малих об’ємах та орієнтовані в різні напрямки, то відбувається всестороннє розсування елементів структури ТК, яке називають розширенням. СПОСОБИ УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ РОЗШИРЕННЯ ТК. Проблема отримання розширюючого ТК зводиться до утворення та регулювання напружень всередині нього. Для того щоб власні напруження призвели до значного розширення без погіршення властивостей ТК, він повинен мати здатність до певної пластичної деформації, при якій порушені зміщенням контакти між елементами структури, відновлювались в процесі наступного твердіння. Протягом гідратації вихідної в’яжучої речовини кількість та міцність структурних зв’язків зростають і одночасно зменшується здатність каменя до подібної пластичної деформації. Одночасно тиск розширення залежить від міцності структури: зі збільшенням міцності ТК тиск зростатиме. Таким чином, якщо структура ТК має достатньо велику міцність та низьку пластичність, то вона має можливість лише незначного розширення, але при цьому повинна створювати на оточуюче середовище великий тиск. І навпаки, низькоміцна та пластична структура ТК ( на початковій стадії твердіння) може не тільки сприймати значно більше розширення, але й має здатність до відновлення мікро розривів, які виникли при розширенні. Із зазначеного вище випливає, що значне розширення при невеликому тиску розширення можна забезпечити тільки на певній стадії твердіння ТК. Відомі два способи надання ТК властивостей до розширення. В першому випадку до складу тампонажного розчину можна вводити речовини, які при хімічній реакції між собою чи складовими розчину утворюють газоподібні продукти. Збільшення кількості газу в ході реакції ( а також підвищення t0, призводить до розширення пухирців газу і виникнення власних напружень. Цей спосіб часто використовується для цементів, які твердіють на поверхні, однак при застосуванні ТР на значній глибині, розширенню пухирців газу чинить опір гідравлічний тиск. Виключення можливі у випадках тампонування зон поглинань, де таке розширення можливе. У другому випадку вводять речовини ( розширюючи добавки), які в ході хімічної реакції між собою чи складовими ТР утворюють кристалічні продукти. Ріст кристалів таких речовин в порах ТК є причиною появи власних напружень, які викликані кристалізаційним тиском. На початковій стадії твердіння тампонажного каменю притаманна відкрита пористість, тому гідравлічний тиск не чинить перепони деформації середовища і суттєво не впливає на розширення. Власні напруження в такому випадку регулюються кінетикою розвитку та величиною кристалізаційного тиску і визначається вибором розширюючої добавки відносно властивостей цементу та умов твердіння. В більшості будівельних розширюючи цементів використовуються кристалізаційний тиск, який виникає при утворенні гідросульфоалюмінату Ca в три сульфатній формі. Для кристалізації цієї сполуки необхідна наявність у водяному розчині іонів Ca2+, Al3+, SO42- при досить високому pH середовища (?10,2). В таких цементах розширюю чого добавкою може бути гіпс (в гіпсоглимноземлистому цементі),суміш гіпсу з високоглиноземлистим шлаком, суміш гіпсу зі спеціально приготовленими алюмінатом кальцію, спеціально приготовлений безводний сульфоалюмінат кальцію. Однак використання реакції утворення гідросульфоалюмінату кальцію для отримання розширюючи тампонажних цементів пов’язано з низькою проблем. Небезпека розширення ТК на пізній стадії твердіння може бути виключена тільки при точному регулюванні швидкості цієї складної хімічної реакції. Тому її використовують для отримання цементів з невеликим розширенням, яке допускає менш строгі вимоги до обмеження періоду розширення. Крім того, цементи гідросульфоалюмінатом кальцію в більшості випадків є швидкосхоплюючими. Вадою цементів, які вміщують велику кількість гідросульфоалюмінату кальцію, а також інших алюмінатів кальцію, є їх низька термостійкість, вона руйнуються при t0 вище 1000С. Для тампонажних цементів значно краще використовувати розширюючи добавки на оксидній основі. Вони утворюють кристалізаційний тиск в результаті кристалізації важкорозчинних гідрооксидів під час гідратації оксидів. Відоме явище розширення тампонажних розчинів та бетонів, яке викликане наявніст. В них не зв’язочних при обпалюванні клінкера оксидів Ca і Mg. Висока t0 обпалювання клінкера обумовлює утворення їх в клінкері у вигляді нерівномірного розподіленних вільних кристалічних фаз з малою хімічною активністю. Внаслідок цього при невисокій t0 середовища твердіння вони гід ратуються дуже повільно, визиваючи локальні власні напруження на пізніх стадіях твердіння, а розширення ТК супроводжується тріщиноутворенням і зниженням міцності каменя. Однак проста бімолекулярна реакція гідратації цих осадів легко регулюється, а її швидкість можна підібрати такою, щоб реакція закінчилася на потрібній стадії твердіння ТК. Швидкість гідратації оксидів Ca і Mg технологічно просто регулюється температурою їх обпалювання рпи отриманні з відповідних карбонатів та дисперсності. На рис. (30 с. 139) зображені криві зміни різних показників для портландцементної суміші з добавкою розмеленого негашеного вапна в умовах вільного розширення. Крива 1 відображає зміну об’єму ?V/V, крива 2 – тепловиділення Q, крива 3 – міцність структури G. Крива тепловиділення характеризує швидкість реакції гідратації вапна. Для приготування суспензії використовувалася суміш портландцементу ( 90 масових часток) та негашеного вапна ( 10 масових часток) з вмістом 87% CaO, обпаленого при різних температурах. Тампонажні розчини з вапном обпаленим при 8500С і 12000С, незважаючи на порівняно більшу величину розширення, утворюють ТК, які не руйнується, а розчин з вапном обпаленим при t0 14000С дає типову картину нерівномірності зміни об’єму. Різниця у властивостях ТК пояснюється різним співвідношенням швидкостей структуроутворення в суспензії та гідратації розширюючої добавки. Якщо швидкість гідратації вапна надто велива ( t0 обпалювання 8500С ), то тампонажний розчин показує де яке розширення, яке закінчується до моменту початку схоплення. В міру сповільнення швидкості гідратації вапна ( підвищення t0 обпалювання до 12000С) крива розширення стає вологішою, а абсолютна величина розширення зростає. Більша частина розширення в такому випадку припадає на стадію пластичного стану системи, і, незважаючи, на більшу величину розширення, ТК не руйнується. Якщо ж швидкість тепловиділення, а як наслідок гідратація оксиду Ca зменшується, то недопустимо велике розширення ( більше 1%) відбувається вже після того, як пластична міцність перевищить величину 1 МПа. ТК у такому випадку зруйнується під дією внутрішніх напружень. На ( рис. 31. с. 139) подані залежності розширення ТК від навантаження на нього. Склад суміші, температура обпалювання вапна та t0 оточуючого середовища такі ж як і у попередньому випадку. Величина навантаження при якому розширення припинялось складає відповідно 80, 360 та 490H. З урахуванням площі контакту ТК з елементом через якій передавалось навантаження на нього, тиск розширення складав відповідно 0,13 0,58 та 0,79 МПа. Ці дані наглядно ілюструють залежність тиску розширення від стадії твердіння ТК. Цікаві та важливі дані для розуміння процесу розширення можуть бути отримані при вивченні пористості Тк зі звичайного та розширюю чого цементу. При дослідженні взірців ТК з портландцементу при W=0,5 , які тверділи 30 год. при t =220С, оцінювались розміри пор каменів що не мали обмежень в розширенні під час твердіння, так і каменів в закритих формах де обмежувалось розширення. (табл. 1.23 та рис. 32) стор. 140. Встановлено, що ТК зі звичайного тампонажного цементу має широкий максимум на кривій розподілу об’єму пор за розмірами ( крива 1) і відповідає перевазі пор радіусом біля 0,8 мкм, які належать до капілярних . Внаслідок невеликої кількості продуктів гідратації на цій стадії твердіння об’єм пор гелю та проміжних пор невеликий. При обмеженні розширення такого ТК крива 2 має максимум в області капілярних пор, дещо зміщений в бік пор меншого радіуса (0,6 замість 0,8 мкм). Зовсім інший розподіл пор за розмірами характерний для ТК з розширюю чого цементу. Загальна пористість ( mn) на 12% більша ніж у звичайного цементу. Більша частина об’єму порового простору належить до капілярних пор, але радіус цих пор значно менший – на кривій 3 спостерігається чіткий максимум в області радіуса пор 0,3мкм. Крім того спостерігається перегин кривої в області 0,8мкм, що може свідчити про заростання початкових пор цього переважаючого розміру. Поява на цій кривій другого великого максимуму в інтервалі 0,02 – 0,03мкм ( проміжні пори) свідчать про те, що відбувається часткове заповнення крупних капілярних пор кристалами Ca(OH)2. При обмеженні розширення ( крива 4) ця тенденція проявляється ще більш чіткіше. Заростання капілярних пор відбувається у ще більшій ступені і вони мають переважний розмір в межах 0,08мкм. Максимум, який відповідає проміжним порам, також зсунутий в бік менших розмірів. Виявлений розподіл пор за розмірами добре узгоджується з властивостями ТК. Найменша кількість і розмір капілярних пор відповідають найбільшій міцності та найменшій проникності. У випадку необмеженого розширення також спостерігається заростання капілярних пор. Цей процес випереджає в часі появу зовнішнього розширення. Досить характерним є те, що при надто більшій загальній пористості ТК з розширюю чого цементу володіє значно меншою водопроникністю у порівнянні зі звичайним. Підвищення t0 призводить до прискорення розширення з одночасним зменшенням його абсолютної кінцевої величини, оскільки процес гідратації вапна і викликане ним розширення прискорюються з підвищенням t0 в більшій ступені, ніж процес структуроутворення ТК. Більша частина кристалів Ca(OH)2 виростає швидше, ніж появляється структурний каркас, і вони не створюють тиску на його елементи. Екстремум швидкості розширення зміщується при підвищенні t0 в сторону менших величин міцності структури, що полегшує релаксацію напружень і зменшує величину розширення. Таким чином, задача отримання розширюючи тампонажних цементів з більшою величиною розширення і достатнім тиском розширення зводиться до підбору розширюючих добавок, швидкість дії яких повинна бути узгоджена зі швидкістю твердіння відповідного основного тампонажного матеріалу. Труднощі полягають в тому, що тампонажні цементи, які застосовуються при різних t0, мають в цих умовах різну швидкість структуроутворення, тобто швидкість схоплення та наступного твердіння. Період пластичності за тривалістю може бути різним, тому важко розраховувати на підбір однієї розширюючої добавки до цементів різного t0 інтервалу застосування. Необхідно підбирати добавки, екстремум розширюючої реакції яких, відповідає стадії пластичності основного тампонажного матеріалу при певній t0. При цьому повинні бути збережені всі решта технологічних властивостей тампонажного матеріалу. СКЛАД РОЗШИРЮЮЧИХ ТАМПОНАЖНИХ ЦЕМЕНТІВ. У будівельній практиці використовуються різні види розширюючих цементі, головним чином на сульфатоалюмінатній основі. Відомі водонепроникний розширюючий цемент (ВРЦ) та напружуючий цемент (НЦ). ВРЦ виготовляють шляхом якісного змішування або сумісного помелу глиноземистого цементу(68 – 71%), напівводяного гіпсу ( 20 – 22%) та високо основного гідроалюмінату Ca – 4CaO х Al2O3 х 13H2O (10-11%). Високоосновний гідроалюмінат знаходиться в продукті, який утримують з суміші глиноземлистого цементу і гідратного вапна. НЦ отримують шляхом тонкого сумісного помелу портландцементного клінкера, глиноземистого шлаку ( або глиноземлистого цементу) та гіпсового каменю, зазвичай у співвідношенні 70 : 15 : 15. Розширення ВРЦ та НЦ відбувається внаслідок утворення спочатку моногідросульфоалюмінату Ca а потім сульфатної форми гідросульфоалюмінату Ca – 3CaO х Al2O3 х 3CaSO4 х 31(32) H2O. Остання сполука яка утворюється через 2-3 доби твердіння розширюючого цементу, тобто коли камінь ще повністю не затвердів, сприяє рівномірному розширенню всієї цементної системи. Гіпсоглиноземлистий розширюючий цемент схоплюється повільніше ніж ВРЦ. Його отримують в результаті сумісного помелу природного двоводного гіпсу та продуктів оппалювання до плавлення чи спікання сировинної суміші з бокситу та вапняку у співвідношенні 70 : 30. Для його виготовлення застосовують також високоглиноземлисті шлаки, які вміщують не більше 11% SiO2 і 38 – 41% CaO. У складі глиноземистої частини в’яжучої речовини повинен переважати моноалюмінат Ca, а вміст високо основних алюмінатів Ca повинен бути мінімальним. Відносна величина лінійного розширення через 28 діб твердіння у воді повинна бути не менше 0,3% і не більше 1%. Відомий також розширюючий цемент на основі портландцементу. До його складу входить 60 – 65% портландцементу, 5 – 7% глиноземлистого цементу, 7 – 10% двоводного гіпсу, 20 – 25% гідравлічної добавки. Розширення взірців при твердінні у воді протягом доби складає 0,15%, а через 28 діб – до 0,3 – 1%. Початком схоплення без спеціального регулювання наступає через 30 хвилин. В гідротехнічному та шахтовому будівництві, в нафтогазовій промисловості використовують декілька видів спеціальних розширюючих тампонажних цементів. Розширення більшості таких цементів викликано утворенням і ростом під час твердіння кристалів гідросульфоалюмінату Ca. Останнім часом використовують також розширення за рахунок гідратації оксидів Ca і Mg. Гіпсоглиноземлистий цемент є продуктом сумісного помелу високоглиноземлистого шлаку і двоводного гіпсу у співвідношенні 3 : 1. При приготуванні суспензії з такого цементу на воді (t0=220С) орієнтовні параметри розчину повинні мати такі значення: водоцементне відношення......................................................................... 0,5 розтічність (конус А3НДІ), см.................................................................... 22 початок схоплення, год............................................................................... 1 кінець схоплення, год..................................................................................1,5 міцність каменя на стик, МПа через 48 год. твердіння........................... 18 Для кріплення нафтових і газових свердловин частіше застосовують суміш тампонажного портландцементу і гіпсоглиноземлистого у співвідношеннях (75 – 85% ) : (25 – 15%). В таких випадках при водоцементному відношенні 0,45 і t0 =220C початок схоплення затримується до 2,5 – 4 год., міцнісні показники аналогічні тампонажним цементам, а розширення взірців досягає 2%. З підвищенням t0 до 400С терміни схоплення скорочуються. ТК з таких цементів володіє підвищеною корозійною стійкістю. Гіпсоглиноземлистий цемент промисловими партіями виготовляється Пашіським цементним заводом. Тампонажний цемент з добавками магнезиту та доломіту є сумішшю тампонажного портландцементу з магнезитом ( MgCO3), або доломітом ( CaCO3 х MgCO3), які обпечені при to 700 – 9000С. Добавки до цементів обпечених магнезиту доломіту відповідно 5 – 10 і 10 – 20% забезпечують розширення ТК протягом 48 год. до 0,5% за рахунок гідратації оксидів MgO і суміші MgO +CaO в цементному камені. Розширюючи тампонажні цементи (РТЦ) з великим значенням розширення отримують додаванням добавок молотих негашеного вапна і периклазу, обпалених при певних t0. В складі цементу для низьких і нормальних t0перевагу слід надавати сорту вапна ,, повільно гашене”, яке подрібнено до питомої поверхні 250 – 350 м2/кг. В залежності від якості сировини, умов опалювання та зберігання негашене вапно може вміщувати різну кількість СаО. При вмісті його в цементі до 10% та W= 0,4 - 0,5 спостерігається лінійна залежність розширення і міцності від вмісту СаО, яка надалі переходить в степеневу. В області лінійної залежності ( тобто до 10% активного СаО), незважаючи на велике значення розширення, суцільність структури ТК не порушується і зберігається його висока міцність. При більших добавках розширюючого компоненту розширення настільки велике, що структура ТК навіть на початковій стадії розвитку не може сама зарощувати мікро розриви і міцність каменя різко знижується. Тому склад розширюючого цементу необхідно підбирати з урахуванням вмісту активного СаО в негашеному вапні. Рання міцність ТК з розширюючого цементу дещо нижча за міцність каменя з вихідного тампонажного цементу. Однак протягом твердіння різниця в міцності каменю з розширюючого та вихідного цементів зменшується. Підвищення водовмісну розчину зменшує розширення каменя. Промислове негашене вапно, яке є м’яко обпаленим оксидом Сао, гідратується з утворенням тонкодисперсного Са (ОН)2, володіє високою структуроутворюючою здатністю, внаслідок чого прискорюється запустіння тампонажного розчину. Тампонажний розчин з розширюю чого цементу та негашеного вапна має характерну форму кривої загустіння – ділянка низької початкової консистенції швидко змінюється зростанняям консистенції, що викликано гідратацією оксиду кальцію. Слідом за цим наступає нетривалий інкубаційний період, протягом якого консистенція за абсолютним значенням вища, ніж у звичайного тампонажного цементу. Після інкубаційного періоду наступає процес загустіння внаслідок інтенсивної гідратації силікатних мінералів, який протікає так, як у звичайних тампонажних цементів. Час запустіння у РТЦ дещо менше, ніж у вихідного тампонажного цементу . Для отримання розширення в межах 16- 20% з моменту приготування розчину (3-7% з початку схоплення), що значно більше ніж у інших видів розширюючих цементів, але безпечно для властивостей ТК, необхідно на 100 масових часток портландцементу вводити 10-20 масових часток молотого негашеного вапна. Кількість введеного вапна залежить від термінів схоплення вихідного портландцементу, його активності та швидкості гасіння, а також від умов застосування цементу. В помірно високих температурних умовах виникає проблема збереження необхідного розширення та забезпечення достатнього часу прокачування тампонажного розчину. З підвищенням t0 величина розширення, яке фіксується після початку схоплення, зменшується, однак при t0 до 750С оксид кальцію ще можна застосовувати як розширюючу добавку, особливо коли вибирати вапно з низькою швидкістю гасіння. При виробництві великих партій вапна, яке призначено для добавляння до тампонажних цементів для помірно високих t0, можна ввести зміни в технологічний процес обпалювання з метою отримання перепаленого вапна. В такі цементи доцільно також додавати розмелений кварцовий пісок, який сприяє сповільненню запустіння і схоплення розчину, а також підвищенню міцності в процесі твердіння в результаті реакції СаО та SіО2. При t0 > 75 0С процес гідратації вапна відбувається настільки швидко, що значна частина оксиду Са перетворюється в гідрооксид ще до появи структури, не призводячи до розширення каменя. Однак, якщо частинки вільного оксиду Са розташовані всередині частинок клінкера або пилоподібної золи, то вони гід ратуються значно повільніше, ніж оксид Са що додається у вигляді негашеного вапна, отриманого при такій же t0 обпалювання. Портландцементний клінкер, який вміщує вільний оксид Са можна отримати двома способами: короткочасним обпалюванням при t0 1100 – 13500С сировинної суміші, складеної з розрахунком на отримання не менше 60% три кальцієвого силікату ( залишок вільного вапна в клінкері в межах 3 – 15%), і звичайним обпалюванням сировинної суміші з КН > 1. На основі таких клінкерів можна отримати розширюючи цементи для свердловин з t0 від 50 до 1200С. Клінкери з КН >1 можна застосовувати при t0 не менше 800С. Перевага розширюючи тампонажних цементів на базі клінкера з вільним CaO полягає в тому, що поряд з забезпеченням великого розширення каменя при високих t 0, значно спрощується технологічних процес виготовлення такого цементу. Його можна виготовляти на будь- якому цементному заводі без значної зміни технологічного процесу. Такі цементи значно краще зберігаються, ніж цементи з добавкою молотого негашеного вапна. Необхідно відмітити також, що бажано застосовувати цей клінкер в складі термостійкого піщанистого цементу. Економічно ефективний спосіб отримання розширюючи цементів на основі оксиду Ca полягає в додаванні до портландцементу пилоподібних паливних зол, які вміщують вільний оксид Ca. Такі золи залишаються після спалювання деяких видів вугілля та сланців в пиловугільних топках на електростанціях. Для свердловин з більш високими t0 доцільно застосовувати менше активну оксидну розширюючи добавку – оксид Mg. Якщо оксидMg обпалювати при t0 1200 – 13000С, то він може бути доброю розширюючою добавкою до цементів при температурах від 120 до 1800С. При t0 >1600С розширюю чого добавкою може бути оксид Mg, який обпалений при ще вищих t0 –рах. В металургійній промисловості для футерівки печей часто застосовують металургійний магнезитовий порошок, який отримують обпаленням магнезиту при t0 1500 – 16000С з вмістом MgO не більше 50% . Оксид Mg в магнезитовому порошку знаходиться у вигляді периклазу, висока t0 обпалювання якого обумовлює його низьку реакційну здатність. Добавка MgO у вигляді так званого ,,перепаленого” периклазу виявилась вдалою розширюючою добавкою для високотемпературних тампонажних цементів ( t0 застосування > 1800С). Такий Перикла вміщується в кількості до 40% в деяких металургійних шлаках, які також можна використовувати в якості розширюючої добавки. Оксид Mg, обпечений при t0 12000С , знаходиться, наприклад в кількості 36% в ароматному шламі – відході від переробки хромітових руд. Природно, що в якості
1 2 3 4 5 Категория: Геологія \| Добавил: DoceNt (13.03.2015)
Просмотров: 621 \| Рейтинг: 0.0/0

Всего комментариев: 0


Имя *:
Email *:

Код *: