3.4.3 Тампонажные материалы, применяемые для цементирования нефтяных и газовых скважин.

В качестве тампонажных материалов в настоящее время широко применяются минеральные вяжущие вещества – порошкообразные продукты, образующие при так называемом затворении, т.е. при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна. В ее основе лежит чаще всего химическая реакция между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения (жидкой фазой суспензии), приводящая к следующему :

 значительному увеличению объема твердой фазы за счет химической реакции присоединения к ней жидкой фазы;

 повышению дисперсности твердой фазы, сопровождающемуся многократным увеличением поверхности раздела фаз, а следовательно, к росту числа контактов между частицами твердой фазы, причем в местах контакта частицы сращиваются;

 образованию тонкокристаллической структуры тампонажного камня.

В качестве вяжущего обычно используется портландские, шлаковые, белитовые, глиноземистые и некоторые другие цементы: облегченные и утяжеленные цементные смеси, волокнистые, коррозионностойкие, расширяющиеся, низкогигроскопичные.

В качестве вяжущего обычно используется тампонажный цемент. Тампонажный портландцемент представляет собой разновидность портландцемента – порошкообразного минерального неорганического вяжущего материала, состоящего главным образом из высокоосновных силикатов кальция. Последний является смесью многих минералов, стекловидных и аморфных фаз. Минералы портландцемента возникают в результате высокотемпературного обжига сырьевой смеси, содержащей в строго определенном соотношении щелочной оксид – окись кальция (СаО) и кислотные оксиды – окись кремния (SiO₂), окись алюминия (Аl₂О₃) и окись железа (обычно Fе₂О₃)[111,313,146].

Указанные выше четыре главных оксида содержатся в портландцементном клинкере обычно в следующих количествах, %: 60-75 СаО; 17-25 SiO₂; 3-8 Аl₂О₃; 2-6 Fе₂О₃.

Содержание других оксидов, попадающих в клинкер из сырья и являющихся примесями, колеблется в следующих пределах, %: 0,1-5,5 MgO; 0,5-1,3 К₂O + Na₂O; 0,3-1,0 SO₃; 0,2-0,5 TiO₂; 0,1-0,3 Р₂О₅.

Тампонажный портланд-цемент получается в результате совместного помола клинкера, содержащего, в основном, алит (ЗСаО • SiO2, C3S) – 40-65%, белит (2СаО • SiO2, C2S) – 12-35%, трехкальциевый алюминат (ЗСаО • А12О3, С3А) –до 15%, четырехкальциевый аллюмоферрит (4СаО • А12О3 • Fe2O3, C4AF)-10-25%, свободная окись кальция – до 1%, свободная окись магния, стекловидную фазу, щелочные окислы с 3—5% гипса, а также 10—15% шлака, трепела, опоки, глины или других минеральных добавок.

Высокая прочность цементного камня обусловлена главным образом особыми свойствами гидросиликатов кальция. Остальные составные части цементного камня играют второстепенную, а во многих случаях и вредную роль. Поэтому лучшим цементом был бы такой, в котором содержались только двухкальциевый (β-2СаО  SiO₂) и трехкальциевый (3СаО  SiO₂) силикаты. Однако в промышленном масштабе такой цемент получить очень трудно[111].

Из минералов-силикатов высокой гидратационной активностью отличается трехкальциевый силикат. Присутствие этого силиката обеспечивает быстрый рост прочности цементного камня в ранний период твердения (до одного месяца). Двухкальциевый силикат, напротив, является самым медленнотвердеющим минералом из четырех основных минералов портландцементного клинкера. Однако его присутствие необходимо для повышения долговечности цементного камня, особенно при высокой температуре. В этих условиях скорость гидратации двухкальциевого силиката возрастает в очень большой степени, и цементы, содержащие много двухкальциевого силиката, при повышении температуры быстро набирают прочность.

Считается, что в клинкере высококачественного портландцемента содержание минералов-силикатов должно в сумме составлять около 75 %, а содержание минералов-плавней (алюмината и аллюмоферита) около 25 %