Промывочные жидкости и растворы - Цементы

Цементы

 

Цементы — основной материал для получения тампонажных смесей. В практике разведочного бурения применяют следую­щие виды цементов: а) тампонажные цементы на базе портланд­цемента; б) глиноземистый цемент; в) гипсоглиноземистый це­мент; г) известково-кремнеземистый цемент; д) тампонажные цементы на базе металлургических шлаков. Тампонажные це­менты выпускают по государственным стандартам и техниче­ским условиям. Наиболее распространены растворы на основе портландцемента.

Портландцемент представляет собой порошок определенного минералогического состава, получаемый помолом клинкера — смеси обожженных до спекания известняка, глины и других гор­ных пород. При перемешивании с водой образуется вяжущая мас­са, способная затвердевать в водной среде и на воздухе. При помо­ле клинкера можно вводить гипс (3—6%) и другие минераль­ные добавки, которые улучшают некоторые свойства цементно­го раствора и камня.

Свойства тампонажных портландцементов определяются со­отношением важнейших составляющих минералов: трехкальцие-вого силиката 3CaOSiO2(C3S); двухкальциевого силиката 2СаО•SiO22S);трехкальциевогоалюмината ЗСаО•Аl2Оз(С3А); четырехкальциевого  алюмоферрита   4СаО • А12О3Fe2O3 (Ca4AF).

Содержание основных оксидов в портландцементе колеблет­ся в следующих пределах (в %): оксид кальция 60—66, кремне­зем 18—25, глинозем 4—8, окись железа 0,5—5.

Кремнезем способствует образованию силикатов кальция и алюминия, придает цементу гидравлические свойства, т. е. способность затвердевать и работать в водной среде. С увеличе­нием SiO2 несколько замедляются сроки схватывания тампонаж­ных растворов, и повышается сульфатостойкость цементного камня.

Глинозем способствует ускорению сроков схватывания цементного раствора, но понижает прочность цементного камня.

Увеличение окисижелеза приводит к замедлению про­цессов схватывания тампонажных растворов и снижает раннюю прочность цементного камня.

Кроме перечисленных основных компонентов, в портландце­менте содержатся оксиды магния, калия, натрия, титана, фос­фора, марганца, серы. Эти примеси могут существенно влиять на свойства цементного раствора и камня, на процессы тверде­ния и разрушения камня под действием внешних факторов. Со­держание перечисленных примесей в цементе может существен­но колебаться как вследствие колебаний их количества в исход­ном сырье, так и за счет образования при спекании так называе­мых клинкерных минералов (при обжиге оксиды вступают во взаимодействие друг с другом). Причем образование клинкер­ных минералов нерегулируемо.

Эти оксиды влияют на свойства цемента неоднозначно. На­пример, свободные оксиды кальция и магния ухудшают качест­во цемента, так как они гидратируются значительно медленнее, чем основные соединения клинкера. Это приводит к появлению внутренних напряжений в затвердевшем цементном камне. Двуоксид титана повышает прочность цементного камня, а фос­форные соединения — сроки схватывания при нормальных усло­виях.

Все это свидетельствует о том, что исходные свойства одного и того же цемента будут колебаться и их можно характеризо­вать лишь какими-то пределами. Поэтому в технической лите­ратуре, когда хотят дополнительно уточнить свойства цемента, называют завод-изготовитель. Качество цемента характеризует­ся маркой, численно совпадающей со значением предела проч­ности при сжатии образцов цементного камня, полученных из смеси цемента с песком состава 1:3, через 28 сут твердения.

Плотность тампонажного портландцемента колеблется от 3 до 3,2 г/см3, насыпная масса в рыхлом состоянии около 1,2 г/см3.

Фракционный состав обычных портландцементов примерно следующий: 30—45% частиц размером 10 мкм; 10—20% разме­ром 10—20 мкм; 10—20% размером 20—30 мкм; 10—20% раз­мером 30—50 мкм; 10—25% размером 50 мкм. На свойства це­мента наибольшее влияние оказывают самые тонкие фракции. Удельная поверхность обыкновенного портландцемента 2800— 3500 м2/кг.

В зависимости от температуры испытания и применения там­понажный цемент делится на три класса: цемент для «холод­ных» скважин (ХЦ) с температурой испытания 22±2 °С, це­мент для «горячих» скважин (ГЦ) с температурой испытания 75±3 °С, цемент для «высокотемпературных» скважин (ВЦ), ко­торый в свою очередь делится на несколько групп в зависимости от температуры испытания и давления;  ВЦА — t=100±3°С и р = 30÷50 МПа; ВЦБ—t=125±3 °С и p = 30÷50 МПа; ВЦВ — t=150±3°С и р = 40÷60 МПа; ВЦГ - t=200±3°С и p = 50÷100 МПа.

Тампонажные цементы обычно поставляют в плотных бу­мажных мешках. Однако несмотря на это, при длительном хра­нении активность цемента снижается, ухудшаются и характери­стики цементного камня. Это происходит вследствие гидрата­ции наиболее мелких частиц за счет влаги воздуха-

Промышленностью выпускаются следующие разновидности портландцемента (ГОСТ 10178—76).

Быстротвердеющий портландцемент отличается интенсивным твердением в начальный период вследствие более тонкого по­мола и повышенного содержания двухкальциевого и трехкаль-циевого силикатов. Удельная поверхность его свыше3500 м2/кг.

Гидрофобный портландцемент дольше сохраняет свои свой­ства при длительном хранении за счет добавок при помоле гид-рофобизирующих поверхностно-активных веществ, образующих на зернах цемента водоотталкивающую пленку.

Пластифицированный портландцемент изготовляется путем введения в обычный портландцемент гидрофильной пластифици­рующей поверхностно-активной добавки, придаёт растворам по­вышенную подвижность, а камню —повышенную морозостой­кость. Сроки схватывания раствора из такого цемента замед­ленные.

Сульфатостойкий портландцемент отличается повышенной стойкостью к коррозии. В клинкере сульфатостойкого портланд­цемента ограничивается содержание C3S и С3А, не допускаются добавки, кроме гипса. Этот цемент обладает по сравнению с обычным повышенной сульфатостойкостью.

Пуццолановый портландцемент содержит значительноеко­личество минеральных добавок и имеет ограниченное содержа­ние СзА в клинкере (до 8%). Вследствие легкой размалываемости  и тонкопористой структуры большинства добавок он имеет большую удельную поверхность.

Глиноземистый цемент состоит из 40% глинозёма, 40% окси­да кальция, 10% оксида кремния, а также оксида (или закиси) железа и других соединений. Цементный камень из глиноземи­стого цемента характеризуется большей прочностью и водоне­проницаемостью по сравнению с портландцементом. Этот це­мент вследствие повышенной стоимости применяется обычно в смеси с портландцементом (1:5 или 1 :4) как компонент, уско­ряющий схватывание.

Известково-кремнеземистый цемент представляет собой смесь гашеной извести с кварцевым песком различно дисперсности или с тонкодисперсным кремнеземом (диатомиом, трепелом, опокой). Он применяется при повышенных температурах в сква­жинах, характеризуется быстрым схватыванием и низкой водо-удерживающей способностью.

Цементы на основе металлургических шлаков состоят из оксидов получаемого металла и его примесей, соединений пу­стой породы, футеровки печей, флюсов, золы топлива, а также специальных добавок для регулирования свойств шлаков. По химическому составу многие шлаки близки к вяжущим вещест­вам, но отличаются пониженным по сравнению с портландце­ментом содержанием оксида кальция.

Активные шлаки после помола дают цементы, позволяющие получить растворы со сроками схватывания до 2 ч. Однако, как правило, шлаковые цементы недостаточно активны и их исполь­зуют в смеси с портландцементом, который играет роль интен-сификатора схватывания и твердения. Шлаковые цементы, осо­бенно активные, очень чувствительны к условиям и срокам хране­ния. Продолжительность хранения шлакового цемента приводит к увеличению сроков схватывания тампонажных растворов и их вязкости.

Камень из шлаковых цементов обладает более высокой проч­ностью и большей коррозионной стойкостью в пластовых водах, чем камень из портландцемента.

Более распространены шлаковые цементы как добавки к другим цементам и вяжущим веществам: шлакопортландцемен-ты, сульфатно-шлаковый цемент, известково-шлаковый цемент и др.

Большое распространение получил гипсоглиноземистый це­мент, который представляет собой продукт совместного помола высокоглиноземистых шлаков и двуводного гипса в соотноше­нии 7:3. Гипсоглиноземистый цемент расширяется при тверде­нии в воде, не дает усадки или слегка расширяется при твер­дении на воздухе, имеет повышенную коррозионную устойчи­вость, сроки схватывания его понижены. Он широко применяет­ся при борьбе с поглощениями промывочной жидкости.