48. Требования к тампонажным материалам. Хз
Тампонажный раствор должен легко быть прокачиваемым. Прокачиваемость тампонажных растворов условно характеризуется растекаемостью по конусу АзНИИ, консистенцией в условных единица, динамическим напряжением сдвига и структурной вязкостью. Плотность цементного раствора должна быть выше плотности промывочной жидкости, вместе с тем давление на стенки скважины при цементировании не должно превышать давление гидроразрыва пласта. Отделение фильтрата из тампонажного раствора должно быть минимальным, это диктуется необходимостью предотвратить загрязнение приствольной зоны пласта, преждевременное загустевания раствора. Тампонажные растворы должны быть седиментационно-устойчивыми, что способствует формированию цементного камня с одинаковой плотностью по всему зацементированному интервалу, снижает вероятность образования каналов в камне и на контактах со стенкой скважины. Прокачиваемость тампонажного раствора должна сохраняться в течение времени, достаточного для проведения цементирования. После продавливания тампонажного раствора за обсадную колонну, он должен быстро загустевать и схватываться. Цементный камень должен быть практически непроницаемым. Свойства цементного камня не должны ухудшаться со временем под действием высоких (низких) температур и давлений, а также при воздействии агрессивных по отношению к продуктам твердения пластовых флюидов. При переходе тампонажного раствора в камневидное состояние, не должна происходить его усадка. Тампонажный камень и раствор не должны вступать в физико-химическое взаимодействие с. горными породами и обсадными колоннами, влекущее разрушение и понижение прочности последних.
49. Твердение портландцемента.
При смешении цемента с водой на начальных стадиях в реакцию гидратации интенсивно вступает алюминат и алюмоферрит, благодаря более высокой константе скорости растворения по сравнению с алитом и белитом. Раствор становится пересыщенным по отношению к конечному продукту, и из пересыщенного раствора на поверхности зерен клинкера и в объеме раствора образуются иглообразные кристаллы гидроалюминатов и гидроферритов кальция различного состава. В общем виде их состав можно обеспечить nCaO.Al2O3.kH2O и nCaO.Fe2O3.kH2O. Значения коэффициентов могут изменяться в различных соотношениях и зависят, главным образом, от термодинамических условий процессов гидратации.
Под гидратацией понимают реакции клинкерных составляющих, с водой (присоединение воды), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение.
Через некоторое время (3-6 часов) в системе накапливается достаточно много кристаллогидратов и образуются «стесненные» условия, приводящие к образованию коагуляционной структуры, которая по мере накопления гидроалюминатов переходит в кристаллизационную. Через 6-10 часов весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполняется скелетом иглообразных кристаллов – продуктов гидратации алюминатных составляющих клинкера. Эта структура иногда называется алюминатной. Цементный раствор, бывший до этого пластичным, начинает терять подвижность и набирать прочность.
В оставшемся объеме одновременно с алюминатной, но со значительно меньшей скоростью возникают продукты гидратации силикатных клинкерных минералов алита и белита, называемые гидросиликатами кальция. Последние образуют чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Значение этой структуры со временем все более увеличивается. Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через 1 кутки начинает преобладать над алюминатной. К месячному сроку в цементном камне обнаруживается практически только силикатная структура. К этому времени процесс гидратации не заканчивается и в ряде случаев может продолжаться годами за счет не использованного клинкерного фонда цемента.
50. Структура цементного камня, и факторы ее определяющие. Без рисунка!
Для полной гидратации цементного зерна необходимо наличие 0,4-кратного количества воды от его массы. Из всей массы воды только 60% ее (т.е. 0.25% от массы цемента) связывается химически. Остальные 40% исходной воды остаются в порах цементного геля в слабосвязанном состоянии. Размер гелевых пор около 3.10-8 см. Они неизбежны и служат причиной тонкопористого строения гелевой массы. При химическом связывании вода претерпевает объемную контракцию, которая составляет около ¼ ее первоначального объема. Поэтому плотный объем геля (без пор) на такую величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называется усадкой, а освободившийся в цементном камне объем – объемом усадки. Когда цементный камень твердеет в воде или при высокой влажности, рассотренный объем пор заполняется водой. При полной гидратации цемента получается гель, объем которого примерно на 30% состоит из пор. Схематически объемные изменения представлены на рис. 3.1 [ ].
Рисунок 3.1 - Гидратация цемента в цементный камень на примере объемных изменений в цементном растворе, состоящего из 10 г цемента и 40 г воды (В/Ц=0,4)
Рассмотренный случай является идеальным и на практьике практически никогда не встречается. Если количество воды будет меньше 0.4 от массы цемента, то ее будет недостаточно для полной гидратации цементных зерен, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента. При избыточном количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в камне капиллярные поры диаметром около 10-4 см, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки. Таким образом, водо-цементное отношение (В/Ц) в значительной мере определяет структуру цементного камня и его физико-механические свойства. На рис. 3.2-3.4 представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации [ ]. Можно видеть, что суммарная пористость камня возрастает с увеличением В/Ц. Конечно, эти схемы не достаточно строго доказательны, но они позволяют наглядно представить влияние В/Ц на структуру цементного камня.
При твердении цементного камня в условиях скважины не удается достичь полной гидратации клинкерных минералов. Например, в образцах тампонажного камня, извлеченного из затрубного пространства, зацементированных 30-40 лет назад, обнаруживается значительное количество непрореагировавшего цемента. Учитывая низкую степень гидратации цемента, можно утверждать, что реальное водоцементное отношение прореагироввавшего цемента достаточно велико. Следовательно, тампонажный камень в затрубном пространстве скважин имеет весьма высокую пористость, причем пористость капиллярную, а, следовательно, и проницаемость цементного камня должна быть достаточно высока.