3.2 Регулирование параметров цементных растворов

Плотность цементных растворов можно регулировать тонкостью помола цемента, водоцементным отношением, введением облегчающих или утяжеляющих добавок, аэрацией цементного раствора.

При изменении водоцементного отношения изменяется содержание воды и в соответствии с этим плотность раствора. Расчеты показывают, что при водоцементном отношении m=1,3-1,5; 0,6-1.3; 0,4-0,6 и 0,3-0,4 плотность цементного раствора на основе портландцемента, соответственно, составит р<1,3; 1,3-1,65; 1,65-1,9 и 1,9-2,2 г/см³. Для однокомпонентной твердой фазы плотность можно определить по формуле

р=(1+m)· р_ц · р_ж/(р_ж+р_ц · m).

Чаще всего плотность раствора регулируют путем введения облегчающих или утяжеляющих добавок. В качестве облегчающих добавок используют активный кремнезем (до 25 °о): измельченные диатомиты, трепел, опоку, селикагель, перлит, пемзу, вулканический пепел, туф известняк, уголь, гильсонит, золу, пыль, электрофильтров, глинопорошок и др.

Большая часть этих добавок значительно повышает удельную поверхность твердой фазы и позволяет увеличи-вать содержание воды и плотность раствора.

Последние годы в практику тампонирования начинают внедрять облегченные аэрированные и сверхоблегченные пеноцементные растворы с плотностью 1000 кг/м³ и менее: можно получить такие растворы с плотностью до 420 кг/м³. Пеноцементные растворы более стабильны, чем аэрированные, и применяются для ликвидации поглощений в кавернозных и трещиноватых породах, в зонах с аномально низ-ким пластовым давлением (АНПД), где использование обычных тампонажных растворов может привести к гидроразрыву пласта; для тампонирования колонн обсадных труб в интервалах, ранее пройденных с продувкой сжатым воздухом или пеной, когда в затрубном пространстве могут остаться поглощающие промывочную жидкость породы; для тампонирования труб в породах с отрицательными температурами с целью предупреждения растепления мерзлых пород в затрубном пространстве, поскольку образующийся при этом тампонажный камень характеризуется теплоизолирующими свойствами. В связи с ростом объемов бурения с пеной данный способ должен найти широкое применение в практике разведочного бурения.

Пенотампонажные растворы получают путем ввода в тампонажный раствор воздуха или азота совместно с пенообразователем и разного рода добавками. В практике разведочного бурения может найти применение способ полунения пенотампонажнйго раствора, аналогичный получению пены: готовый цемептпый раствор насосом цементировочного агрегата нагнетается в пеногенератор, куда с помощью дополнительного насоса подаются пенообразующие реагенты, раствор с необходимыми добавками и сжатый воздух от компрессора. Известны и другие способы. Например, специальный насос раздельно всасывает компоненты тампонажной смеси и вместе с пенообразователем нагнетает раствор в лабиринтовый смеситель, в который подается и сжатый воздух. Получают пеноцементный раствор также путем соударений струй цементного раствора с высокопробной пеной в цементировочной головке.

Для повышения плотности в цементный раствор добавляют кварцевые и магнетитовые пески без предварительного их измельчения. За счет этих добавок. плотность раствора можно увеличить др 2,4 г/см³. Повышать плотность можно также баритом, магнетитом, гематитом. Кварцевый песок вводят в немолотом виде, т.к. тонкодисперсный песок за счет увеличения удельной поверхности требует много воды, что понижает плотность раствора. Оптимальный размер зерен кварцевого песка 0,7 мм, а кварцево-магнетитового песка -0,3-0,4 мм.

Добавки песка снижают расход цемента, повышают коррозионную и термическую устойчивость цементного камня, а также его прочность. Однако сроки схватывания раствора возрастают.

Растекаемость тампонажного раствора принимают в зависимости от величины раскрытия трещин, а при тампонировании обсадной колонны – от величины зазора между стенками скважин и обсадной колонной.

Регулируют растекаемость путем изменения водоце-ментного отношения или содержания пластификаторов (по-низителей вязкости: ССБ; КССБ, ПФЛХ, игетана, сульфано-ла и др.)

Регулирование сроков схватывания раствора производят в зависимости от длительности его закачивания. На сроки схватывания оказывает влияние активность частиц твердой фазы.

Активность частиц определяют минеральным составом. Ниже приведен ряд наиболее активных минералов по убывающей степени активности:

С₃А > С AF > С₃S > C₂S.

Регулирование сроков схватывания производят добавками различных компонентов: ускорителей и замедлителей схватывания.

В качестве ускорителей схватывания растворов из портландцемента применяют добавки глиноземистого це-мента, гипса и электролитов: NaCl, КО, Nа2СОз, К2СО3, - CaCb, Na₂O, SiO₂, FeCl, Al2(SO₄)3, Ca(NO3)2, NaOH и др.

Механизм ускорения схватывания (коагуляция) частиц тот же, что и в промывочных жидкостях.

Межмолекулярные связи между частицами при уменьшении расстояния увеличиваются, а последнее сокращается при уменьшении толщины гидратной пленки, которая, в свою очередь, зависит от величины электрического заряда. При введении электролитов катионы нейтрализуют заряд частиц, толщина пленки уменьшается, а межмолекулярное взаимодействие возрастает, частицы коагулируют (слипаются). С увеличением заряда катиона степень коагуляции возрастает.

Несколько иной механизм ускорения схватывания анионактивными электролитами. Анионы СО₃^2-, Si0₂^- NO₃^- активно взаимодействуют с окисью кальцита СаО, образуя новые быстрокоагулирующие соединения: СаСО₃; CaO·SiO₂ и др. Наиболее эффективны ускорители GaCl₂,Na₂CO₃, Na₂O·SiO₂. В связи с высокой гидрофильностью жидкого стекла Na₂O·SiO₂ цементный раствор с его добавками быстро схватывается (образует насту), но медленно твердеет. При добавке СаС1₂ цементный раствор схватывается более медленно, но значителъно быстрее твердеет (раскрйсталлизовывается). Причем прочность камня при этом выше, чем при добавке жидкого стекла. Эффективным ускорителем схватывания растворов на основе глиноземистых цементов является негашеная известь (СаО). Добавка всего 5 % СаО приводит к мгновенному схватыванию раствора.

В качестве замедлителей схватывания используют пластификаторы-разжижители: ССБ (0,5-1,5 %), КССБ (0,1-1 %). лигнин (1 %>, ПФЛХ (0,3 %), игнетан (2 %), окзил (1 %), по-лимеры: КМЦ (0,1-1,0 %), гипан (0,1-1 %), ПАА (0,4-0,3 %) и др. При увеличении концентрации полимера повышается вязкость раствора и понижается водоотдача.

Пластификаторы адсорбируются на поверхности час-тиц, в результате чего повышается гидрофильность частиц. Толщина гидратных пленок частиц возрастает, межмолекулярное взаимодействие понижается, сроки схватывания повышаются.

С увеличением сроков схватывания и при наличии толстого гидратного слоя происходит более полная кристаллизация цемента. Прочность камня оказывается значительно выше, чем без добавок замедлителей схватывания.

На сроки схватывания влияет и среда, в щелочной среде при добавлении щелочных электролитов NaOH, Na₂C0₃ происходит более интенсивное растворение и диспергироваиие частиц цемецта, а поэтому все последующие процессы протекают в более короткие сроки. Кислая среда снижает растворимость, возрастают сроки схватывания цемента и диспергирование частиц.

Таким образом, все щелочные электролиты являются ускорителями схватывания, а кислотные электролиты - замедлителями схватывания цементного раствора.

К таким электролитам - замедлителям схватывания, широко применяющимся в практике, можно отнести борную и виннокаменную кислоты, сернокислое окисное железо Fe2(SO4)3 и др. Катионы соли Fe³⁺ активно взаимодействуют с молекулами воды:

,

в результате чего среда становится кислой.

При помощи введения в раствор ускорителей схватывания удается снизить сроки схватывания тампонажной смеси до нескольких минут и даже секунд. Такие растворы готовят в зоне осложненной зоны с помощью забойных смесителей, в которых и происходит перемешивание ускорителя схватывания с тампонажным раствором. Другим, вариантом приготовления БСС (быстросхватывающихся смесей) является транспортирование на забой сухой смеси цемента и ускорителя в контейнере, а процесс затворения смеси происходит на забое в результате разбуривания контейнеров с сухой БСС и подачи промывочной жидкости.

Примеры рецептур БСС:

1. 1000 кг портландцемента + 500 л воды + 150 глиноземистого цемента. Время схватывания: начало - 45 мин, конец - 2ч.

2. 1000 кг цемента + 600 л воды + 100 кг алебастра. Время схватывания: начало - 5 мин, конец- 35 мин.

3. 1000 кг цемента + 450 л воды + 150 кг жидкого стек- ла. Время схватывания: начало - 1мин, конец- 15мин.

Сухие БСС:

1. 40-50 % глиноземистого цемента + 50-60 % алебастра (гипса).

2. Глиноземистый цемент + порошкообразная смола (параформальдегид или резорцин).

Стабильность раствора и водоудерживающую способность регулируют понизителями водоотдачи (полимерами, КМЦ, ПАА и др.), которые одновременно выполняют роль замедлителей схватывания.

Проникаемость тампонажного раствори, т.е. глубина проникновения тампонажного раствора в трещину .при из-вестном и'ереиаде давления раствора (Δр) и известной ширине раскрытия трещин (δ), определяется статическим напряжением сдвигу ⊝:

поэтому проникаемость регулируют чаще всего путем изменения статического напряжения сдвигу (СНС раствора).

Тампонажный раствор подбирается с таким расчетом, чтобы при избыточном давлении 0,5-30 МПа он проникал в трещины на глубину не менее 1-5 м. Чем больше величина раскрытия трещины, тем меньше избыточное давление и тем больше должна быть глубина проникновения раствора.

Статическое напряжение сдвигу вследствие высоких значений определить на известном приборе СНС-2 или вис-козиметре ВСН-3 практически невозможно, поэтому его оп-ределяют по величине пластической прочности:

При условии Δр=0,5-30 МПа и глубине проникновения раствора 1-5 м статическое напряжение сдвигу раствора должно соответствовать (согласно расчету по приведённым формулам) значениям табл. 19.1.

Таблица 19.1

Регулируют статическое напряжение сдвигу и вязкость раствора загусгителями и разжижителями, а также повышением закупоривающей способности раствора с помощью наполнителей.

При наличии в осложненной зоне трещин с различной величиной раскрытия (макро- и микротрещины) тампонирование ведут в два этапа. Сначала кольматируют крупные трещины пастообразными смесями или растворами с наполнителями, а затем растворами с повышенной проникаемостью (СНС) для кольматации микротрещин.

С целью повышения закупоривающей способности в цементный раствор вводят либо эффективные ускорители схватывания типа жидкого стекла (для получения пасты), либо наполнители.

В настоящее время в нашей стране создан довольно широким ассортимент наполнителей, различных по фракционному составу и виду материала. Эффетивность наполнителя определяется его закупоривающей способностью.

Наиболее широко применяемые наполнители отечественного производства Курочкин Б.М. разделил на семь классов.

В первый класс объединены волокнистые наполнители: кордное волокно (крученые нити с измельченной резиной), техническая кошма, улюк волокнистый (отходы хлопчатника), наполнитель текстиль прорезиненный (отходы текстиля прорезиненного и кирзы, с добавкой до 15 % резиновой крошки), асбестовое волокно, кожа-горох (отходы кожевенной промышленности), опилки, древесная кора сено, пенька.

Второй класс включает два вида наполнителей: жесткие гранулированные и упругие гранулированные. Подкласс жестких гранулированных наполнителей включает силикагель отработанный, ореховую скорлупу (дробленую скорлупу фундука), щебень, гравий и песок горных пород, в том числе вулканического стекла, пористых известняков, вспученного перлита, керамзита, трепела, диатомита, опоки.

В подкласс упругих гранулированных наполнителей входят мелкая резиновая крошка, дробленая резиновая крошка (игольчатой формы ДР-25 и хлопьевидной формы ДРХ-25), дробленая резина (смесь, дробленой резины, частиц кордной ткани и кордного волокна), вулканизированные отходы латекса, пластинчатый упругий наполнитель (обрезки плоской резины).

Третий класс представлен наполнителями пластинчатой формы: целлофановая стружка, слюда, вермикулит (тонкие чешуйки), рыбья чешуя, бумага.

Четвертый класс включает набухающие наполнители: порошкообразный и гранулированный бентонит.

В пятый класс отнесены пластинчатые наполнители: отработанный гумбрин (отходы нефтеперерабатывающей промышленности), глина увлажненная, замазка (смесь цемента с машинным маслом).

Шестой класс представлен дисперсными наполнителями (водными дисперсиями резины и латекса); Седьмой класс - наполнители, получаемые в результате, коагуляции латекса хлористым кальцием непосредственно в процессе проведения технологической операции по ликвида­ции поглощения.

К этой группе можно отнести и другие коагулянты, так называемые вязкоупругие смеси (ВУС). В основу получения ВУС положен принцип сшивки водорастворимых линейных полимеров с карбоксильными и амидными группами (ПАА, гипан, КМЦ) полуфункциональными соединениями (формалином, уротропином) или олектролитами-солями поливалентных металлов (сульфатами и хлоридами).

Г л а в а 4. свойства ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И КАМНЯ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ДРОБЛЕНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД