- •Авторы: н.И. Николаев, ю.А. Нифонтов, в.В. Никишин, р.Р. Тойб
- •Введение
- •Глава 1. Тампонажные материалы
- •1.1. Назначение и классификация тампонажных материалов для проведения изоляционных работ в скважинах
- •1.2. Минеральные вяжущие вещества
- •1.3. Физико-химические процессы гидратации и твердения минеральных вяжущих веществ Состав и свойства цементного клинкера
- •Связь между составом клинкера и свойствами портландцемента
- •Активные добавки в клинкер при его помоле
- •Активные добавки в состав тампонажного портландцемента
- •Кинетика структурообразования цементного камня
- •Природа процессов схватывания и твердения цементного камня
- •1.4. Тампонажные материалы специального назначения Термостойкие тампонажные цементы
- •Расширяющиеся тампонажные цементы
- •1.5. Тампонажные материалы на основе силикатов щелочных металлов
- •1.6. Органические и органо-минеральные тампонажные материалы Тампонажные смеси на основе торфа и сапропеля
- •Тампонажные смеси на основе синтетических смол
- •Тампонажные растворы на основе латексов
- •Тампонажные смеси на основе лигносульфонатов
- •Битумные тампонажные смеси
- •1.7. Комбинированные тампонажные смеси
- •1.8. Модифицированные тампонажные материалы
- •Облегченные тампонажные цементы и растворы
- •Утяжеленные тампонажные цементы и растворы
- •Глава 2. Контроль и регулирование свойств тампонажных смесей
- •2.1. Методы определения физико-механических свойств тампонажных смесей
- •2.2. Регулирование свойств тампонажных растворов с помощью химических реагентов
- •Ускорители схватывания и твердения. Для сокращения времени ожидания затвердевания цемента в тампонажные растворы вводят ускорители процессов схватывания и твердения.
- •Краткая характеристика некоторых реагентов
- •Глава 3. Технология тампонирования скважин
- •3.1. Цементирование обсадных колонн
- •Способы цементирования скважин
- •Методика расчета одноступенчатого цементирования
- •Режим работы цементно-смесительного оборудования при приготовлении тампонажных растворов из различных сухих материалов
- •Организация процесса цементирования скважин
- •3.2. Ликвидация геологических осложнений в открытом стволе скважины Изоляция поглощающих зон цементными растворами
- •Изоляция поглощающих горизонтов глиноцементными растворами
- •Изоляция поглощающих зон быстросхватывающимися смесями
- •Тампонажные устройства
- •Технология тампонирования скважин сухими быстросхватывающимися смесями (бсс)
- •Устройства с совмещенной доставкой бcc в скважину
- •Ликвидация каверн, пустот и крупных трещин в скважинах
- •3.3. Установка разделительных мостов и искусственных забоев в скважинах
- •3.4. Ликвидация и консервация скважин Ликвидационное тампонирование скважин
- •Консервация скважин
- •Рекомендательный библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Тампонажные материалы 5
- •Глава 2. Контроль и регулирование свойств тампонажных смесей 56
- •Глава 3. Технология тампонирования скважин 81
Активные добавки в состав тампонажного портландцемента
Активные минеральные добавки представляют собой как природные, так и искусственные материалы, способные в измельченном виде химически связывать гидроокись кальция, выделяющуюся при твердении портландцемента.
Кварцевый песок, применяемый как добавка в портландцементы, должен содержать не менее 90 % кремнекислоты. Содержание мелких фракций (менее 0,05 мм) не должно превышать 5 %. В качестве добавки в портландцементы разрешается вводить доменные гранулированные шлаки коксовой плавки.
К активным минеральным добавкам осадочного происхождения относятся диатомиты – рыхлые горные породы, состоящие главным образом из панцирей микроскопических диатомовых водорослей, трепелы и опоки, а также глиежи – обожженные в результате подземных пожаров глинистые породы.
Группа активных минеральных добавок вулканического происхождения включает в себя пеплы (рыхлые алюмосиликатные породы), туфы (уплотненные пеплы), витрофиры (вулканическое стекло), пемзу (вспученное вулканическое стекло), трассы (метаморфизованные вулканические туфы).
К числу добавок искусственного происхождения помимо шлаков относятся белитовый (нефелиновый) шлам – отход производства глинозема из нефелинового сырья и зола-унос, получающаяся в пылевидном состоянии при сжигании некоторых видов твердого топлива. В обычном портландцементе содержание активных минеральных добавок не превышает 15 %, но в специальных цементах, таких как пуццолановые портландцементы, оно может доходить до 45 %. Шлака в шлакопортландцементе содержится до 70 %. Чтобы цемент в меньшей степени терял свои свойства при хранении, к нему добавляют органические гидрофобизирующие вещества.
Кинетика структурообразования цементного камня
При смешивании портландцемента с водой минералы клинкера вступают с ней в химическое взаимодействие, в результате чего образуются различные содержащие воду вещества, так называемые продукты гидратации. Свойствами этих веществ, а также особенностями процесса их возникновения и обусловлена способность цементного раствора к превращению в твердое тело – искусственный камень.
Гидратация силикатов кальция. При гидратации силикатов, входящих в состав портландцементного клинкера, образуются гидросиликаты кальция и гидроокись кальция.
В общем виде реакции гидратации трехкальциевого и двухкальциевого силикатов могут быть выражены следующей схемой:
3CaO SiО2 + (3 + y – х)Н2О = (3 – х)Са(ОН)2 + xСаО SiО2 yН2О;
2CaO SiO2 + (2 + y – х)Н2О = (2 – х)Са(ОН)2 + хСаО SiО2 yН2О.
Значения х и у, т.е. состав гидросиликата и количество выделившейся гидроокиси кальция, зависят от условий, в которых протекает реакция.
При комнатной температуре в результате гидратации обоих минералов – алита и белита – образуется гидросиликат, у которого х = 1,5 и у = 1,5. Оба эти гидросиликата обладают сходной кристаллической структурой и относятся к группе тоберморитоподобных гидросиликатов (по названию природного минерала тоберморита). Для структуры тоберморитоподобных гидросиликатов характерно слоистое строение, сходное со слоистым строением монтмориллонита. Подобное строение гидросиликатов обусловливает огромную поверхность их частиц, около 300-400 м2 на 1 г вещества. В отличие от гидросиликатов, другой продукт гидратации силикатных минералов клинкера – Са(ОН)2 присутствует в цементном камне в виде сравнительно крупных кристаллов.
При повышении температуры до 100 С в качестве конечных продуктов образуются тоберморитовые гидросиликаты с более высокой основностью (с большей величиной х), которая может достигать 1,75. При более высоких температурах вместо тоберморитоподобных гидросиликатов образуются двухосновные гидросиликаты, образование вызывает снижение прочности камня и повышение его газо- и водопроницаемости, что связано с призматической формой его кристаллов и значительно меньшей суммарной поверхностью частиц, содержащихся в единице массы вещества.
Гидратация алюминатов и ферритов кальция. Гидратация трехкальциевого алюмината при температурах ниже 25-30 С протекает с образованием четырехкальциевого гидроалюмината (4CaO Аl2О3 14Н2О). При повышении температуры этот гидроалюминат переходит в трехкальциевый шестиводный гидроалюминат (3CaO Аl2О3 6Н2О).
В присутствии гипса, введенного в цемент для регулирования схватывания, при температуре ниже 50-70 С образуется гидросульфоалюминат кальция – эттрингит (3CaO Аl2О3 3CaSO4 31Н2О). При повышении температуры этот минерал переходит в односульфатную форму гидросульфоалюмината кальция – 3CaO Аl2О3 CaSO4 12Н2О, а при температуре выше 100 C наблюдается разложение гидросульфоалюмината кальция на сульфат кальция и трехкальциевый шестиводный гидроалюминат.
Ферритная фаза портландцементного клинкера гидратируется с образованием четырехкальциевого гидроалюмината (4CaO Аl2О3 14Н2О) и четырехкальциевого гидроферрита (4CaO Fe2O3 14H2O). В присутствии гипса продуктами гидратации ферритной фазы являются гидросульфоалюминат и гидросульфоферрит кальция.
По своей структуре и свойствам гидроферриты и гидросульфоферриты сходны с соответствующими им алюминатами и образуют с ними твердые растворы.
Состав и свойства химических соединений, которые могут быть встречены в составе цементного камня, образовавшегося в результате затвердения растворов на основе портландцемента и некоторых важнейших специальных тампонажных цементов, а также значения межплоскостных расстояний в решетках важнейших соединений, входящих в состав цементного камня из тампонажных цементов, приводятся в специальных таблицах и справочниках.