Класифікація тампонажних цементів.

Виробництво та випробування тампонажних цементів здійснюється згідно з державними стандартами України : ДСТУ Б В.2.7-86—99. Цементи тампонажні. Методи випробувань: ДСТУ Б В.2.7-87—99. Цементи тампонажні типів I-G та І-Н. Методи випробувань: ДСТУ Б В.2.7-88—99. Портландцементи тампонажні. Технічні умови.

За речовинним складом цементи поділяють на такі типи:

тип І — тампонажний портландцемент бездобавочний;

тип I-G — тампонажний портландцемент бездобавочний з нормованими вимогами при водоцементному відношенні, шо дорів­нює 0,44;

тип І-Н — тампонажний портландцемент бездобавочний з нормованими вимогами при водоцементному відношенні, що до­рівнює 0,38;

тип II — тампонажний портландцемент з мінеральними до­бавками;

тип III — тампонажний портландцемент із спеціальними добавками, які регулюють густину цементного тіста.

За густиною цементного тіста цементи типу III поділяють на:

полегшений (Пол.);

поважчений (Пов.).

За температурою застосування цементи типів І, II і III поділя­ють на цементи, призначені для:

- низьких і нормальних температур (15—50) °С;

- помірних температур (51—100) °С;

- підвищених температур (101 — 150) °С. За сульфатостійкістю цементи поділяють на:

1. типи І, II, III

- звичайний (вимоги за сульфатостійкістю не ставляться);

- сульфатостійкий (СС);

2. типи I-G та І-Н

- високої сульфатостійкості (СС-1);

- помірної сульфатостійкості (СС-2).

Умовне позначення цементу має складатися з літерних позна­чень, призначення, сульфатостійкості, середньої густини для цемен­ту типу III, максимальної температури застосування, гідрофобізації або пластифікації (ГФ або ПЛ), назви стандарту.

Приклади умовних позначень

1. Портландцемент тампонажний з мінеральними добавками, сульфатостійкий, для низьких або нормальних температур:

ПЦТ ІІ-СС-50 ДСТУ Б В.2.7-88-99.

2. Портландцемент бездобавочний з нормальними вимогами при водоцементному відношенні, що дорівнює 0,44 помірної сульфатостійкості:

ПЦТ I-G-CC-2 ДСТУ Б В.2.7-88—99.

3. Портландцемент тампонажний із спеціальними добавками, полегшений, густиною 1530 кг/м³, для помірних температур, гідрофобізований:

ПЦТ Ill-Пол 5-100-ГФ ДСТУ Б В.2.7-88-99.

Цементи мають виготовлятися відповідно до вимог даного стан­дарту за технологічним регламентом, затвердженим виготовлювачем.

Речовинний склад цементів усіх типів, виготовлення яких рег­ламентовано стандартом, має відповідати значенням, наведеним у табл. 1.

Таблиця 1 – Речовинний склад цементу

Тип цементу	Вміст клінкеру, %	Вміст добавки, %
		мінеральна добавка	спеціальна добавка, яка полегшує або поважчує
І I-G І-Н	100	Не допускається
ІІ	80-94	6-20*	-
III	30-89	-	І 1-70

* Добавок осадового походження має бути не більше 10% маси цементу.

Портландцемент

З усіх перелічених в'яжучих для цементування свердловин най­більш широко використовують ПЦТ, оскільки його властивості найповніше відповідають умовам цементування і піддаються ре­гулюванню в широких межах при введенні модифікуючих добавок.

ПЦТ — порошкоподібний матеріал, який складається з штучних (клінкерних) мінералів. Ці мінерали мають високу хімічну актив­ність і здатні взаємодіяти з водою. Внаслідок реакцій гідратації суспензія портландцементного порошку у воді утворює тверде тіло.

Мінерали, що складають ПЦТ, утворюються внаслідок високо­температурного випалювання суміші оксидів, які вміщуються у певному співвідношенні.

Хімічний склад ПЦТ досить стабільний:

• оксид кальцію, СаО (пегашепе вапно) 64—68%;

• оксид кремнію, SiO, (кремнезем) 19—23%;

• оксид алюмінію, А1₂0, (глинозем) 4—8%;

• оксид заліза, Fe,0, (гематит) 3—6%.

Крім цих чотирьох головних оксидів, до складу ПЦТ входять деякі інші оксиди у вигляді домішок: оксиди магнію (MgO), калію (К₂0), натрію (Na₂0), титану (Ті0₂) та ін., які здебільшого погір­шують якість ПЦТ, тому їхня кількість обмежується.

У процесі виробництва ПЦТ як вихідні (сировинні) матеріали використовують вапняк з високим вмістом СаС0₃ і каолінову гли­ну, що вміщує каолініт Al₂0₃ ^. 2Si0₂ ^. 2H₂0. Оксид заліза знаходиться у глині як домішка.

Цінним сировинним матеріалом для виробництва ПЦТ є мер­гель. Цей природний карбонат кальцію вміщує в собі понад 20% глинистих домішок, тобто за хімічним складом відповідає вимогам до сировини для виробництва ПЦТ.

Існують два основних способи виробництва ПЦТ — «мокрий» і «сухий».

У разі «мокрого» способу сировинні матеріали роздрібнюють з одночасною добавкою води. Внаслідок цього утворюється пульпа, яка вміщує 32—45% води. У вигляді пульпи сировину легше транс­портувати, дозувати, гомогенізувати, однак на випаровування води необхідно витрачати значну кількість тепла.

Для випалювання шлам подають в довгу обертову піч, яка являє собою сталевий барабан діаметром 3—7 м і довжиною 90—200 м. Він встановлений з нахилом 3—5° до горизонту і обертається з частотою 1—2 об/хв. Продуктивність печі 50—125 т/год клінкеру. Подача сировини відбувається з верхнього «холодного» кінця, а з протилежного «гарячого» кінця печі надходять гарячі гази, які утво­рюються внаслідок спалювання твердого пилоподібного або газопо­дібного палива. Матеріал сировини переміщується назустріч гаря­чим газам із швидкістю 0,5—0,6 м/с і поступово нагрівається до максимальної температури випалювання 1400—1500 °С.

Внаслідок часткового розплавлення і перекачування матеріалу при обертанні печі продукт випалювання (клінкер) має вигляд гра­нул розміром від декількох до 30 мм. Згідно з технологією вироб­ництва важливим є швидке охолодження клінкеру після випалю­вання, яке відбувається в спеціальних холодильниках.

У разі «сухого» способу виробництва після попереднього роздріб­нювання вихідних матеріалів процес дроблення продовжується з одночасним висушуванням гарячими газами в обертових печах. Для гомогенізації порошок суміші перемішують стиснутим повіт­рям. Випалювання порошку ведеться гарячими газами в циклонних теплообмінниках до температури 700—800 °С і в обертовій печі. Витрати тепла на випалювання у разі «сухого» способу становлять біля 3500 кДж на 1 кг клінкеру, а у разі «мокрого» — біля 6000 кДж.

Оскільки «мокрий» спосіб більш енергоємний і менш економіч­ний, то деякі заводи використовують комбінований спосіб, за якого вихідний шлам готуєься за «мокрим» способом і потім більша час­тина води відфільтровується під тиском, а решту видаляють шля­хом висушування. Висушена суміш випалюється за «сухим» спо­собом.

Після охолодження портландцементний клінкер роздрібнюють спочатку в подрібнювачах, а потім у кульових трубчастих млинах довжиною 15—18 м і діаметром 3—4 м. Розмелювальними елемен­тами служать кулі діаметром 15—125 мм або циліндри діаметром 16—25 мм і довжиною 25—40 мм.

У вихідній суміші під час випалювання відбуваються такі про­цеси. За температури в діапазоні 100—600 °С глинистий компонент розкладається на оксиди А1₂0₃, Si0₂, Fe₂0₃, H₂0. Вода випарову­ється в атмосферу.

За температури 600°С СаС0₃ починає розкладатися на СаО і С0₂, останній вивітрюється в атмосферу. Після цього починаються реакції зв'язування СаО з кислотними оксидами алюмінію і заліза. З підвищенням температури зростає кількість зв'язаного СаО.

При досягненні температури близько 1200 °С утворюється пер­ше мінеральне з'єднання 4CaO∙Al₂0₃^.Fe₂0₃ - браунмілерит або чотирьохкальцієвий алюмоферит (C₄AF). За температури 1200 °С закінчується процес утворення другого мінерального з'єднання — трьохкальцієвого алюмінату ЗСаО-А1₂0₃(С₃А).

Приєднання СаО до Si0₂ починається за температури 600 °С, інтенсивно проходить за 900-1000°С і закінчується за температури 1250 °С з утворенням третього мінерального з'єднання - двокальцієвого силікату 2CaO-Si0₂ (C₂S). Інтенсивне утворення четвертого мі­нерального з'єднання - трьохкальцієвого силікату 3CaSi0₂ (C₃S) - проходить за температури 1420-1470 °С. За цієї температури роз­плавляються С₃А та C₄AF, більша частина яких у разі швидкого охолодження клінкеру не встигає кристалізуватися, внаслідок чо­го утворюється склоподібна маса - клінкерне скло.

Крім чотирьох головних мінералів (C₃S, C₂S, C₃A,C₄AF) до складу клінкеру в невеликій кількості можуть входити оксиди MgO, К₂0, Na₂0 та ін., а також у вигляді окремого мінералу - активний ок­сид кальцію (СаО).

Масова доля окремих мінералів у портландцементному клінкері коливається в таких межах: 40-60% аліту (C₃S); 15-35% беліту (C₂S); 2-6% трьохкальцієвого алюмінату (С₃А); 4-13% чотирьохкальцієвого алюмофериту (C₄AF); 5-15% склоподібної фази (целіту).

Кожний з мінералів має певний вплив на властивості ПЦТ, а саме:

Аліт забезпечує головну якість цементу - повільне затужавіння і швидке затвердіння.

Беліт реагує з водою більш повільно. Процес триває роками, що сприяє довговічності цементного каменю. В процесі підвищення температури швидкість реакції у беліті зростає. Тому белітовий цемент більш придатний для високотемпературних (геотермаль­них) свердловин. У США випускають тампонажний цемент HTS, який зовсім не має в своєму складі аліту. Він складається з беліту. і молотого кварцу і призначений для цементування високотемпера­турних свердловин.

Отже, від співвідношення кількості аліту і беліту в цементі залежить його активність і відповідно придатність до низьких або високих температур.

Трьохкальцієвий алюмінат прискорює процес затужавіння і за­твердіння портландцементного розчину. Він знижує корозійну стій­кість ПЦТ в середовищі сульфатів і сірководню, але сприяє зв'язу­ванню великої кількості води та інтенсивному тепловиділенню, що важливо для цементування за умов низьких температур.

Алюмоферит менш активний, ніж С₃А, однак він підвищує суль-фатостійкість цементного каменю.

Склоподібна фаза (целіт) поєднує в собі властивості С₃А і C₄AF. тому що вона складається з цих мінералів.