3. Контракция

При гидратации цемента происходит образование кристаллогидратов. Вода из свободного состояния переходит в связанное (в состав кристаллической решетки, либо связывается адсорбционными силами).

При этом ее состояние превращается в квазитвердое - увеличивается плотность, снижается подвижность, объем. Также изменяется и исходный минерал вяжущего, несмотря на увеличение объема новообразований, общий объем системы становится меньше суммарного объема исходной системы вода - цемент. Это явление названо контракцией. Оставшийся объем будет представлен порами и обычно сопровождается развитием на поверхности системы твердеющего камня разряжения, что способствует всасыванию контактирующих с ним воды, нефти и газа. Величина контрактации зависит от исходного вяжущего, условий твердения и т.д. Для обычных портландцементов расчетная величина контракции принимается равной 7  9 мл, на 0,1 кг цемента. В результате контракции твердеющий цементный раствор всасывает воду из контактирующей с ним глинистой корки. Корка обезвоживается. При этом образуется сеть каналов, по которым может двигаться пластовый флюид. Снижение контракционного эффекта в основном производят введением наполнителей.

B.4. Усадка

Физико-химические процессы схватывания и твердения портландцемента сопровождается после небольшого (обычно не фиксируемого расширения) усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объема твердеющего цемента. Несмотря на значительное количество работ по усадке физико-химическая природа этого явления недостаточна ясна.

Исследователи рассматривают три вида усадки: физическую (вследствие испарения избытка воды), химическую (вследствие связывания воды гидратными новообразованиями), термическую (вследствие постепенного охлаждения при уменьшении скорости тепловыделения). Усадку портландцемента обычно связывают с контракционными процессами и капиллярными силами. Величина усадки зависит от прочности кристаллизационных контактов, степени гидратации удельной поверхности цемента, времени твердения водотвердого отношения.

Механизм усадки проходит в следующем: в начальный период уменьшение объема происходит вследствие седиментационных и контракционных процессов. По мере развития структурообразования усадка пропорциональна потере свободной воды в результате испарения и связывания ее в гидратные новообразования. При упрочнении структуры образуются поры и капилляры. Увеличение капиллярного давления при снижении влажности среды, приводит к усадочным деформациям после стабилизации кристаллической структуры с прочными кристаллизационными контактами - удаление капиллярной воды не вызывает усадки. Величина усадочных деформаций цемента твердеющего на воздухе в течении 5 лет составила- около 3 мм на 1м. Усадка увеличивается пропорционально логарифму времени. В условиях гидротермального твердения усадка не обнаружена.

C.5. Прочность цементного камня

Прочность тампонажных материалов принято характеризовать напряжением, приходящимся на единицу площади первоначального сечения образца, сформированного из цементного теста или раствора, вызывающим его разрушение при приложении сжимающих, растягивающих или изгибающих внешних нагрузок. Для тампонажных материалов в ГОСТ 1581-96 установлены стандартные методы испытаний на прочность. Там же нормированы формы и размеры образцов, состав и консистенция смеси для их приготовления, условия приготовления и твердения, сроки, и условия испытаний и т.д.

Однако в течении нескольких лет вопрос о необходимой прочности цементного камня остается дискуссионным. Так, Саркисов Г. М., так же считает, что регламентируемый ГОСТом предел прочности при изгибе через 2 суток твердения при В/Т=0,5 и температуре 22°С вполне обоснован. В то же время А. И. Булатов на основе экспериментальных и промысловых результатов пришел к заключению, что прочность на изгиб достаточна в размере -1,5 МПa и на сжатие 5,0 МПа.

Специалисты США также полагают, что для всего процесса цементирования можно ограничиться прочностью на сжатие в 3,5 МПа, при, этом коэффициент запаса будет в пределе 2 - 5. Р. И. Феррис считает, что прочность цементного камня, наступающая за концом схватывания, достаточна для продолжения процесса бурения, при этом оставшийся в колонне цемент вследствие низкой прочности легче разбуривается. В кольцевом пространстве вследствие его пластичности не будет растрескиваться при перфорации.

Несмотря на дискуссионный характер величины предела прочности затвердевшего камня для условий цементирования скважин, в действительности показатель прочности всех вяжущих материалов, в том числе и тампонажных, остается одной из важнейших интегральных характеристик, определяющих свойства цемента. Прочность является косвенным показателем фазового состава продуктов твердения и структуры порового пространства сформированного камня.

Кроме того, действительно в начальный момент освоения скважины, когда падение давления незначительно, то прочности цементного камня в 1,5 МПа достаточно. В то же время при полном истощении пласта нагрузки на цементный камень на глубине 3000 м может достигнуть 35 МПа. Отсюда явно, что прочность недостаточна. Цементный камень также работает на сжатие под действием внутреннего давления в колонне, величина которого в процессе перфорации значительна. Установлено, что в камне не наблюдается трещин при перфорации, если прочность камня равна 3,5  7 МПа.

Особенно жесткие условия работы цементного камня в тех случаях, когда он выполняет функции опорной перемычки (моста) и должен оказывать большое сопротивление внедрению породоразрушающего инструмента при забуривании второго ствола. В этом случае прочность камня должна быть высокой - соизмеримой, а в некоторые случаях и выше прочности окружающих пород.

Согласно требованиям госта определяется прочность цементного камня на изгиб I, II типов, которая должна составлять для низких температур 2,7 МПа в возрасте двух суток, умеренных и повышенных температур 3,5 МПа в возрасте суток, для облегченных цементов Ш типа 1 МПа и утяжеленных 2,0 МПа в возрасте двух суток. Для цементов типа I-G, I-H определяется прочность цементного камня на сжатие через 8 часов при температуре 38 ⁰С не менее 2,1 МПа и 60⁰С не менее 10,3 МПа.

Для измерения прочности используют приборы: прессы гидравлические, МИИ-100, приборы типа «Бетон» (неразрушающий контроль), импортные аналоги.