3. Цементы (1). В составе тц в качестве вв, обеспечивающих затвердевание тампонажных растворов, применяются следующие
 Скачать 287.81 Kb.
|
|
В составе ТЦ в качестве ВВ, обеспечивающих затвердевание тампонажных растворов, применяются следующие: Минеральные ВВ: портландцемент; глиноземистый цемент; шлаковый цемент; известково-кремнеземистый цемент; гипс; магнезиальный цемент; смеси различных минеральных ВВ; Органические ВВ (синтетические смолы). Краткая характеристика основных вяжущих веществ Портландцемент Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы, получаемые искусственным путем при обжиге (Т ≈ 1450 ºС) смеси известняка с глиной. При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов: кальция СаО - 64 … 68 % (известь); кремния SiO2 - 19 … 23 % (кремнезем); алюминия Al2O3 - 4 … 8 % (глинозем); железа Fe2O3 - 3 … 6 %. Глиноземистый цемент Получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов (руда, содержащая 28…52 % Al2O3). Химический состав смеси: CaO - 35…45 %; SiO2 - 5…15 %; Al2O3 - 30…50 %; Fe2O3 - 5…15 %. Достоинства: Глиноземистый цемент, особенно при низких температурах, твердеет значительно быстрее, чем портландцемент, а получаемый при этом тампонажный камень имеет в несколько раз большую прочность, существенно меньшую проницаемость и повышенную коррозионную устойчивость к агрессивным средам. Недостатки: Высокая прочность тампонажного камня сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) и пониженных температурах (20…25 ºС). Глиноземистый цемент дефицитен, поэтому чаще всего применяется в смеси с портландцементом при соотношении - 1 : 5 или 1 : 4. Цемент на основе металлургических (доменных) шлаков Получают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива при выплавке чугуна. По химическому составу близок к портландцементу, отличаясь от него обычно меньшим содержанием оксида кальция (40…50 %) и отсутствием оксида железа. Достоинства: В отличие от портландцемента очень медленно твердеет в нормальных условиях, но при температуре порядка 100 ºС и выше процесс твердения идет интенсивно с образованием прочного ТК, очень стойкого к полиминеральной агрессии. Известково-кремнеземистый цемент Представляет собой смесь гидроксида кальция – Ca(OH)2 с кварцевым песком или другими материалами, содержащими оксид кремния (диатомитом, измельченным кварцем, пылевидной каменноугольной золой и т.п.): CaO : SiO2 = 0,8…1,2. Достоинства: быстрое схватывание. Недостатки: низкая водоудерживающая способность (большие значения показателя фильтрации). Гипс Получают путем термической обработки природного гипсового камня – сульфата кальция (CaSO4·2H2O). Гипс – быстросхватывающееся и быстротвердеющее (≈ 15 мин.) вяжущее вещество, но гипсовый камень не водостоек (размягчается в воде). Поэтому гипс обычно используют с добавками веществ, замедляющих схватывание и повышающих водостойкость. Магнезиальный цемент Получают обжигом магнезита (MgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3). Очень медленно твердеет при затворении водой, поэтому его затворяют водным раствором MgCl2 и применяют для тампонирования тех участков ствола скважины, которые сложены солями магния (карналлит, бишофит). Тампонажный камень из всех других минеральных вяжущих веществ в контакте с солями магния разрушается. Органические вяжущие вещества (синтетические смолы) Чаще всего используют мочевиноформальдегидные (карбамидные), фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы. В качестве отвердителя таких смол применяют щавелевую, фосфорную и соляную кислоты, а также хлорное железо, хлорный цинк, хлористый аммоний и др. Портландцемент – порошкообразный материал, содержащий искусственные минералы, образующиеся в результате высокотемпературного обжига смеси оксидов, в которой преобладает оксид кальция – CaO (известь), но входят также (19-23%) оксид кремния SiO2 (кремнезем); (4-8%) оксид алюминия Al2O3 (глинозем); (3-6%) оксид железа Fe2O3 и много других оксидов в виде примесей. Эти минералы обладают высокой химической активностью и способны взаимодействовать с водой. В результате химических реакций суспензия порошка портландцемента в воде приобретает способность к затвердеванию. При производстве портландцемента в качестве исходных материалов обычно используют известняк с высоким содержанием CaCO3 и глину, содержащую алюмосиликаты и в виде примеси оксид железа в виде пиритных огарков. Продукт обжига называется портландцементным клинкером. Он получается в виде спекшихся гранул величиной с орех. Для получения портландцемента клинкер размалывают в тонкий порошок с добавлением некоторых веществ, например, гипса. Номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит: тампонажные портландцементы для «холодных» и «горячих» скважин нормальной плотности, (плотность раствора 1,88 г/см3); облегченные цементы для получения растворов плотностью 1,4... 1,6 г/см3 на базе тампонажных портландцементов, В качестве облегчающих добавок используют глинопорошки или молотые пемзу, трепел, опоку и др.; утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15 г/см3 на базе тампонажных портландцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам. В качестве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит и др.; термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с температурой 90... 140 и 140... 180°С; Классификация По вещественному составу цементы подразделяют на следующие типы: I - тампонажный портландцемент бездобавочный; I-G-тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 [1]; I-H- тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38 [1]; II - тампонажный портландцемент с минеральными добавками; III - тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста. 4.2 По плотности цементного теста цемент типа III подразделяют на: - облегченный (Об); - утяжеленный (Ут). 4.3 По температуре применения цементы типов I, II и III подразделяют на цементы, предназначенные для: - низких и нормальных температур (15-50)°С; - умеренных температур (51-100)°С; - повышенных температур (101-150)°С. 4.4 По сульфатостойкости цементы подразделяют на: а) типы I, II, III - обычный (требования по сульфатостойкости не предъявляют); - сульфатостойкий (СС); б) типы I-G и I-H - высокой сульфатостойкости (СС-1); - умеренной сульфатостойкости (СС-2). 4.5 Условное обозначение цемента должно состоять из: - буквенных обозначений цемента: ПЦТ - портландцемент тампонажный; - обозначения типа цемента - по 4.1; - обозначения сульфатостойкости цемента - по 4.4; - обозначения средней плотности для цемента типа III - по 5.1.2 (таблица 3);. - обозначения максимальной температуры применения цемента - по 4.3; - обозначения гидрофобизации или пластификации цемента - ГФ или ПЛ; - обозначения настоящего стандарта. П р и м е р ы у с л о в н ы х о б о з н а ч е н и й 1 Портландцемент тампонажный с минеральными добавками сульфатостойкий для низких или нормальных температур ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96 2 Портландцемент тампонажный бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44, умеренной сульфатостойкости ПЦТ I-G-CC-2 ГОСТ 1581-96 3 Портландцемент тампонажный со специальными добавками облегченный плотностью 1,53 г/см3, для умеренных температур гидрофобизированный ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96 5.1 Характеристики 5.1.1 Вещественный состав цементов всех типов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 1  5.1.2 Требования к физико-механическим показателям, характеризующим тампонажно-технические свойства цемента типов I-III, приведены в таблицах 2 и 3, а цемента типов I-G и I-H - в таблице 4 Таблица 2    Степень дисперсности ТЦ Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости. Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ. В/Ц При значениях В/Ц, наиболее часто используемых в практике тампонирования скважин (0,45…0,55), его влияние на скорость гидратации не очень существенно. В принципе же, скорость гидратации с ростом В/Ц увеличивается. При высоких значениях В/Ц период интенсивной гидратации идет быстро, затем замедляется. При низком В/Ц процесс интенсивной гидратации растянут во времени. С ростом температуры до 70…90 ºС эти отличия выражены уже менее четко. С увеличением В/Ц: снижается способность ТР к затвердеванию, поэтому В/Ц 1 характерно только для ТР, содержащих облегчающие добавки, способные связывать большое количество воды; снижается седиментационная устойчивость ТР; растет показатель фильтрации ТР. С уменьшением значений В/Ц до 0,3: ТР невозможно транспортировать в заколонное пространство, так как он превращается в пасту. При В/Ц 0,6: в структуре ТК образуется система взаимосвязанных капиллярных и более крупных пор, т.е. с ростом В/Ц повышается пористость, проницаемость ТК и снижается его прочность. Давление С повышением давления скорость гидратации увеличивается. Так, известно, что с ростом давления от атмосферного до 50…60 МПа сроки схватывания сокращаются примерно вдвое. Температура Скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации) возрастает с ростом температуры экспоненциально, т.е. температура является главным фактором, определяющим скорость схватывания и твердения ТР. При тампонировании глубоких скважин большинство из рассмотренных выше факторов являются практически фиксированными, т.е. не зависящими от исполнителей. Так, температура и давление в скважине определяются соответствующими градиентами (геотермическим и геостатическим), характерными для конкретного месторождения, а минералогический состав и степень дисперсности ТЦ – технологией его изготовления. Именно поэтому для регулирования скорости гидратации (скорости схватывания и твердения) широко используют химические реагенты – УС и З Структурообразование Как отмечалось выше, новообразования, возникающие в ТР, концентрируются вокруг зерен ПЦТ, образуя тем самым тонкопористую массу – цементный гель. Схватывание По мере роста кристаллов новообразований прочность коагуляционной структуры повышается, увеличивается число связей и возникает непосредственная связь (а не через гидратные оболочки) между частицами, все больше и больше появляется контактов срастания новообразований, увеличивается площадь таких контактов, преобладающее влияние в системе приобретают прочные химические связи. Твердение Происходит окончательное формирование кристаллизационной структуры, имеющей высокую механическую прочность и упруго-хрупкие свойства. Разрушение связей между частицами таких структур необратимо. |