3.2.1.2. Тепловыделение при гидратации цементов, при­меняемых для тампонажа скважин

Свойства тампонажного раствора и образующегося из не­го цементного камня обусловлены главным образом физико-химическими процессами при гидратации цемента, а тепло­выделение непосредственно связано с гидратацией, являясь следствием этого процесса. Поэтому динамика физико-механических свойств цементного раствора может объектив­но характеризоваться изменением его собственной темпера­туры [77].

Процесс гидратации большей части цементов характери­зуется несколькими периодами повышения и понижения ин­тенсивности выделения тепла.

Первый период наступает немедленно после затворения цемента и длится всего несколько минут. А так как в про­мысловых условиях в этот период времени цементный рас­твор транспортируют насосами в скважину, то для контроля за цементированием скважин первый период интереса не представляет.

Второй период увеличения температуры более длительный (1—2 ч), чем первый. Скорость тепловыделения в этот пери­од сравнительно низкая, в то время как механические свой­ства цементного раствора существенно изменяются в сторону увеличения сопротивления сдвигу.

Третий период характеризуется повышенной скоростью выделения тепла гидратирующим цементом. Максимальная температура при нормальных условиях отмечается не менее чем через 6 —8 ч после затворения, затем наблюдается мед­ленное понижение температуры. В этот период происходит так называемое схватывание цементного раствора, обуслов­ленное главным образом взаимодействием минералов группы С₃А и соли CaSO₄ с образованием гидросульфоалюминатов кальция.

Главной особенностью гидратации цемента и формирова­ния цементного камня в условиях скважины состоит в том, что эти процессы происходят при повышенных температу­рах и давлениях. С повышением избыточного давления сре­ды увеличиваются удельная поверхность продуктов гидрата­ции и количество связанной воды, а следовательно, интенси­фицируется тепловыделение.

74

Исследования влияния температуры и давления на про­цесс тепловыделения тампонажных цементов (на примере цементов Новороссийского завода "Октябрь") показали сле­дующее.

Повышение температуры приводит к ускорению процесса гидратации тампонажных портландцементов, а собственная температура цементного раствора при этом резко увеличива­ется, достигая максимального значения в условиях автоклава за сравнительно короткое время. Скорость гидратации ми­нералов (и особенно CjA) заканчивается до начала гидратации минералов группы C₃S.

В результате этого на термограмме, характеризующей собственную температуру цементного раствора, можно выде­лить периоды гидратации отдельных групп минералов.

С повышением давления процессы гидратации тампонаж­ных портландцементов интенсифицируются. Особенно акти­визируется минерал С₃А при значении водотвердого отноше­ния (ВТ), равном 0,6. Однако при этом время достижения максимальной скорости гидратации для минералов С₃А и C₃S для данного цемента не зависит от давления.

На рис. 25 приведен график, характеризующий изменение скоростей реакции гидратации при твердении портландце­мента. Каждый из участков кривой характеризует изменение скорости реакции гидратации того или иного его компонен­та. Так, участки кривой, обозначенные буквами a_t — a₄, соот­ветствуют скоростям гидратации минералов — С₃А, C₃S, C₂S. Во всех случаях имеет место некоторое взаимное перекрытие времени реакций, так как скорости тепловыделения никогда не понижаются до нуля. Несмотря на это, дифференцирован-ность кривых изменения скорости тепловыделения при по-

Рис. 25. Вариации скорости из­менения температуры портланд­цемента во времени, обуслов­ленные реакциями гидратации минералов при давлении 30 МПа и температуре 100 °С: а, - ë₃; ‡2 - ë₃S; ‡₃ - ë₄F; ‡₄ -C,S

вышенных температурах и давлениях настолько четкая, что появляется возможность контролировать термографическим методом физико-химические процессы в цементном раство­ре и даже оценивать минералогический состав используемых портландцементов.

Эксперименты с использованием замедлителей сроков схватывания показали, что общий характер изменения соб­ственной температуры цементного раствора в условиях теп­лообмена с окружающей средой не изменяется: после начала схватывания наблюдается рост температуры, а после оконча­ния схватывания — ее понижение. В количественном отно­шении неоднократно зарегистрированные в период ожида­ния затвердевания цемента термограммы косвенно характе­ризуют эффективность различных замедлителей и могут использоваться для оптимизации процесса крепления сква­жин.

Аналогичные результаты получены при исследовании це-ментно-песчаных и цементно-глинистых смесей.