Цементный раствор и его свойства. Твердение раствора

Получение и состав портландцемента

Разобщение пластов тампонажными материалами

Сразу после спуска обсадной колонны пространство между стенкой скважины и трубами заполняется тампонажным раствором, который, затвердев, образует тампонажный камень. Назначение камня не допустить сообщение между пластами по затрубному пространству и затормозить коррозию обсадных труб. Поэтому эта операция получила название разобщение пластов.

В настоящее время для различных условий в скважинах разработан целый ряд тампонажных материалов, но основным материалом остается тампонажный портландцемент.

Портландцемент получают из мергелей или из смеси известняка и глинистых минералов в соотношении (75…80 %)/(20…25 %). Вначалеизмельчается и готовится сырьевая смесь, которая затем загружается в наклонную вращающуюся печь для обжига. По мере продвижения смеси по печи ее температура повышается. При температуре около 500 °С начинается термическое разложение глинистых минералов на оксиды:

глина ® Al₂O₃ + SiO₂ + Fe₂O₃ + … + H₂O­.

При температуре около 900 °С начинается термическое разложение известняка:

CaCO₃ ® CaO + CO₂­.

Вода и углекислый газ уходят в атмосферу, а оксиды вступают в твердофазную реакцию с образованием следующих основных соединений:

2CaO× SiO₂ – двухкальциевый силикат;

3CaO× SiO₂ – трехкальциевый силикат;

3CaO× Al₂O₃ – трехкальциевый алюминат;

4 CaO× Al₂O₃× Fe₂O₃ – четырехкальциевый алюмоферрит и др.

Эти соединения образуют клинкер (материал, выходящий из печи). Клинкер охлаждают и размалывают в порошок с добавками для регулирования свойств. Основными характеристиками цементного порошка (сухого цемента) являются химический состав и тонкость помола.

Цемент существует в трех состояниях: первое – цементный порошок на стадии приобретения, хранения и доставки на скважину; второе – цементный раствор на стадии закачки в скважину; третье – цементный камень при выполнении своих функций. Для контроля качества сухого цемента, цементного раствора и камня на буровых предприятиях имеются лаборатории цементных растворов. Они выполняют две функции: первая – определение соответствия ГОСТ сухого цемента перед цементированием; вторая – подбор рецептуры цементного раствора в соответствии с конкретными условиями в скважине.

При цементировании цементный порошок смешивают с водой и получают цементный раствор. Для получения цементного раствора с заданными свойствами используют химические реагенты и добавки.

При смачивании цементного порошка водой между ними начинается химическая реакция гидратации, конечным продуктом которой является образование кристаллогидратов. Кристаллогидраты в виде игл 2 растут на частичках цемента 1 как центрах кристаллизации (рис. 9.8). Пока иглы короткие, вязкость цементного раствора меняется мало (рис. 9.8, а). Но как только иглы начнут прорастать между собой (рис. 9.8, б), цементный раствор начинает быстро густеть. Этот момент получил название начало схватывания (твердения) цементного раствора. На образование игл расходуется и цемент и вода. В конечном итоге иглы образуют войлочную структуру и становятся цементным камнем. Момент времени, когда цементный камень достигнет прочности, достаточной для безопасного продолжения работ в скважине, называют концом схватывания цементного раствора.

Соотношение воды и цемента по массе от 0,4 до 0,55. Это соотношение получило название водоцементное отношение. Для твердения цемента достаточно водоцементное отношение около 0,35, но такой раствор слишком густой и не всасывается насосом. Поэтому для снижения вязкости используют некоторый избыток воды.

Показателями свойств цементного раствора, кроме названных начала и конца схватывания, являются плотность цементного раствора, условная вязкость (растекаемость) и водоотдача. Измерение показателей плотности и водоотдачи такое же, как и для глинистого раствора.

Растекаемость цементного раствора регулируется водоцементным отношением и добавками пластификаторов. Большая вязкость обусловит высокое сопротивление движению раствора и трудности его всасывания насосом, а низкая вязкость – избыточное содержание воды и после твердения обусловит низкое качество цементного камня. Поэтому нормируется вязкость, а по ней выбирается требуемое водоцементное отношение.

Условная вязкость определяется на приборе АзНИИ (рис. 9.9) состоит из конуса 1 объемом 120 см³ и столика 2. Столик с помощью винтов 3 устанавливается горизонтально по уровню 4. Сверху столик накрыт стеклом 5.

Для проведения стандартного испытания готовят пробу раствора с водоцементным отношением 0,5. Условие – комнатная температура и перемешивание раствора с момента заливки воды должно составлять ровно три минуты. По истечении этого времени быстро наполняют конус цементным раствором доверху и сразу плавно, но энергично, поднимают конус вертикально вверх не менее чем на высоту конуса. Цементный раствор расплывется по стеклу. В качестве показателя растекаемости принимают средний диаметр расплыва.

Рис. 9.9. Прибор для измерения растекаемости цементного раствора

Для определения нормального водоцементного отношения готовят пробы раствора с пятью значениями водоцементного отношения и определяют их растекаемость. Затем графически по зависимости диаметра расплыва от водоцементного отношения определяют нормативное водоцементное отношение, соответствующее диаметру 180 мм. С полученным водоцементным отношением готовят пробу раствора и определяют его плотность, величина которой необходима для контроля водоцементного отношения в процессе приготовления раствора и закачки его в скважину.

Дата добавления: 2015-07-13