Тампонажные цементы и растворы

Способность тампонажных цементов после затворения водой к структурообразованию и твердению (превращению в камень) обусловила их применение для цементирования скважин.

Применительно к портландцементу (который используют в качестве тампонажного цемента для «холодных» и «горячих» скважин) первой ста­дией структурообразования является возникновение коагуляционной структуры исходных частиц цемента и гидратных новообразований. На второй стадии развивается сплошная рыхлая кристаллизационная структу­ра гидроалюмината, которая обычно разрушается при перемешивании рас­твора. Третья стадия — это образование кристаллизационной структуры гидросиликатов.

При затворении цемента водой сначала происходит растворение его небольшой части, вступающей в химическое взаимодействие с водой, до насыщения. Затем наступает период коллоидации, характеризующейся высокой дисперсностью частиц цемента, — период собственно схватыва­ния (коагуляционного структурообразования), переходящего в собственно твердение (период кристаллизации) раствора при переходе системы из ме­нее устойчивого состояния в более устойчивое.

Природа сил, обусловливающих прочность тампонажного камня, имеет разные толкования, основанные как на кристаллизационной, так и на кол­лоидно-химической теории. В первом случае она объясняется срастанием кристаллов в местах контактов за счет ионно-химических связей, а во втором — сцеплением частиц благодаря ван-дер-ваальсовым поверхност­ным силам.

Процесс структурообразования вяжущих веществ проходит в два этапа.

Результатом первого этапа является получение коагуляционной струк­туры частиц и гидратных новообразований. Пластическая прочность струк­туры к этому моменту низка, темп нарастания ее медленный и зависит от связывания воды, степени диспергирования цемента в воде и накапливания гидратных новообразований. Такая система тиксотропна, и связь между частицами в ней обеспечивается через гидратные оболочки, которые отде­ляют их друг от друга. После механического разрушения системы связь восстанавливается.

Второй этап характеризуется возникновением и развитием кристалли­зационной структуры гидратов цементных минералов. Поверхность частиц увеличивается, возникают молекулярные связи между ними. Этот процесс характеризуется интенсивным нарастанием прочности структуры. Форми­руется непосредственная связь между частицами, которая отличается вы­сокой прочностью и необратимым характером разрушения (например, при запоздалом продавлении раствора).

Существенное влияние на процесс твердения цементного раствора оказывают температура и давление. С их увеличением ускоряется гидрата­ция, изменяется растворимость твердых веществ в жидкой фазе, изменяет­ся также фазовый состав продуктов гидратации цементов, шлаков и других вяжущих материалов.

В заколонном пространстве может сложиться такая ситуация, при ко­торой одновременное перемешивание тампонажного раствора и изменение температуры приведут к схватыванию и твердению цементного раствора отдельными зонами. Картина примет еще более мозаичный характер, если учесть действие повышенного водоцементного отношения и изменяющую­ся концентрацию реагентов-структурообразователей.

Если при нормальных условиях добавляемый песок является практи­чески инертным наполнителем, то при повышенных температурах кварц становится активным и взаимодействует с составляющими цемента.

Кварц, растворяясь в воде при нагревании и под давлением, вступает в реакцию с известью; на этом принципе основано производство песчано­известковых кирпичей. Скорость этой реакции в значительной степени зависит от удельной поверхности кварца.

Общепризнанная теория природы процессов гидратационного струк­турообразования и твердения шлаковых растворов в настоящее время от­сутствует.

Взаимодействие шлаков с водой сопровождается комплексом процес­сов, включающих адсорбцию, ионный обмен, выщелачивание, гидролиз, гидратацию и другие, в результате которых происходят деструкция исход­ных фаз и возникновение новых.

При нормальной температуре как комовые, так и гранулированные шлаки даже при наиболее благоприятных химическом и фазовом составах почти не проявляют вяжущих свойств. При введении в раствор щелочных соединений гидроксидов натрия, кальция, калия происходят дальнейшие гидролиз и гидратация. Кроме щелочной активации шлаков на практике применяют еще сульфатную, а также комбинированную. Обычно в качест­ве щелочных активаторов используют известь и портландцемент, а в каче­стве сульфатных — гипс и ангидрит.

Мощное средство пробуждения гидравлической активности доменных шлаков — повышение температуры.

Добавки кварцевого песка при высоких температурах в значительной степени интенсифицируют гидратацию шлака с образованием низкооснов­ных высокопрочных гидросиликатов.

Шлакопесчаные растворы при высоких температурах и давлениях да­ют плотные и прочные камни, очень стойкие в агрессивных средах.

Твердение тампонажного камня в условиях циклического температур­ного воздействия (скважины с термическим воздействием на пласты) ха­рактеризуется существенным изменением их физико-механических свойств.

Тепловая обработка значительно интенсифицирует процессы гидрата­ции и твердения. Результаты исследований показывают, что в среде пара процессы гидратации и роста кристаллогидратов протекают интенсивнее, чем в воде.

Основные технологические параметры ТР

Цементным тестом называется смесь цемента с водой. Цемент перед испытанием просеивается через сито 80 мкм.

Водо-цементное отношение – В/Ц – отношение объема воды к весу цемента.

Тесто готовится вручную в сферической чаше в течение 3 минут или на специальных мешалках 5 минут.

1. Растекаемость, см – определяет текучесть (подвижность) цементного раствора.

2. Плотность, г/см3 – отношение массы цементного раствора к его объему.

3. Фильтрация или водоотдача, см3 за 30мин – величина, определяемая объемом жидкости затворения, отфильтрованной за 30 минут при пропускании цементного раствора через бумажный фильтр ограниченной площади под давлением 1 атм.

4. Седиментационная устойчивость цементного раствора – определяется водоотделением, т.е. максимальным количеством воды, способным выделиться из цементного раствора в результате процесса седиментации.

5. Время загустевания (час - мин, начало-конец) – время потери текучести.

5. Сроки схватывания (час - мин, начало-конец) – определят время перехода цементного раствора в твердое состояние цементного камня.

http://www.vevivi.ru/best/Primenenie-modulei-geofizicheskikh-issledovanii-skvazhin-i-metodika-obrabotki-dannykh-v-protsesse-bureniya-ref12408.html