vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Гипс (CaS04х2H20) добавляют в основном для регулирования времени схватывания и твердения

цементного раствора. Количество добавляемого гипса изменяется от 1,5 до 3 % по массовой доле измельченного клинкера.

На рис. 11.1 представлены этапы производства цемента.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЦЕМЕНТОВ

АНИ классифицирует девять классов цементов в зависимости от глубины и условий цементируемой скважины.

Класс А. Предназначен для применения на глубинах до 1830 м, не обладает специальными свойствами, выпускается только обычного типа (аналогичен цементу С 150, тип I*).

Класс В. Предназначен для применения на глубинах до 1830 м, обладает средней стойкостью к сульфатной агрессии, выпускается в виде среднестойкого (аналогичен цементу С 150, тип II*) и высокостойкого к сульфатной агрессии.

Класс С. Предназначен для применения на глубинах до 1830 м, когда требуются быстрый рост прочности в ранний период твердения, выпускается в виде среднестойкого (аналогичен цементу С 150, тип III*) и высокостойкого к сульфатной агрессии.

Класс D. Предназначен для применения на глубинах 1830— 3050 м в условиях умеренно высоких

температур и давлений, выпускается в виде среднестойкого к сульфатной агрессии.

* По классификации АОИМ (Американское общество испытания материалов — ASTM).

Класс Е. Предназначен для применения на глубинах 3050— 4270 м в условиях высоких температур и давлений. Выпускается в виде средне- и высокостойкого к сульфатной агрессии.

Класс F. Предназначен для применения на глубинах 3050— 4270 м в условиях сверхвысоких температур и давлений. Выпускается в виде средне- и высокостойкого к сульфатной агрессии.

Класс G. Предназначен для применения в качестве основного цемента на глубинах до 2440 м, с

добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента сульфат кальция или вода, или то и другое. Выпускается в виде средне- и

высокостойкого к сульфатной агрессии.

Класс Н. Предназначен для применения в качестве основного цемента до глубины 2440 м, с добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента сульфат кальция или вода, или то и другое. Выпускается в виде средне- и

высокостойкого (опытные партии) к сульфатной агрессии.

Класс J. Предназначен для применения на глубинах от 3660 до 4880 м в условиях сверхвысоких

температур и давлений, с добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента только сульфат кальция или вода, или то и др.

Из табл. 11.1 видно, что основные компоненты цемента— это С35 и C2S. Первый компонент имеет

наиболее высокую скорость гидратации, обусловливает суммарные прочностные

характеристики и способствует быстрому росту прочности в ранний период твердения, а также предохраняет схватившийся цементный раствор от сульфатной агрессии. Компонент—C2S медленно

твердеющий, определяющий постепенный рост прочности цементного камня. С3А определяет первона-

чальное схватывание и быстрый рост прочности в ранний период твердения вследствие повышенной

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

гидратационной активности.

Роль C4AF в процессе схватывания аналогична С3А, но влияние C4AF в высокой степени зависит от

температуры и содержания добавок.

Из табл. 11.1 видно, что основные компоненты цемента имеют вид ангидридов. Добавление воды к цементу превращает эти компоненты в гидраты, а получившаяся в результате смещения жидкость называется цементным раствором.

ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА

Когда цементный раствор размещается вокруг обсадной колонны, то он подвергается действию высокого дифференциального давления, направленного в сторону горных пород стенки скважины. При этом происходит фильтрация воды в пласт за счет гидратации и испарения. Во время фильтрации воды в пласт гидратные соединения формируют взаимосцепляющуюся структуру, которая образует цементное кольцо между обсадной колонной и породами, слагающими ствол скважины.

Механизм образования цементного кольца сложен и зависит от типа цементируемых поверхностей. Например, цемент соединяется с породой за счет роста кристаллов, которые входят в поровое пространство породы. Аналогично цемент контактирует с обсадной колонной, заполняя неровности, раковины в теле обсадных труб и их муфт.

СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТА К СУЛЬФИДНОЙ АГРЕССИЙ

Соли серной кислоты (сульфаты), такие как сульфат магния и сульфат натрия, оказывают отрицательное влияние на схватившийся цемент. Природные сульфаты реагируют с известью из состава цемента и образуют в результате реакции гидроиды магния и натрия и сульфат кальция [I]. Сульфат

кальция, реагируя с компонентом С3А, образует сульфоалюминат, который вызывает расширение и

нарушение целостности цементного камня. В основном это происходит вследствие того, что частицы

сульфоалюмината по размерам больше частиц С3А, которые они замещают, что ведет к разрушению

цементного камня.

Сульфатные минералы в большом количестве содержатся в некоторых подземных водах, которые могут войти в контакт со схватывающимся цементом двумя путями:

а) через перфорационные отверстия; б) через микроскопические каналы в схватившемся цементе в результате неэффективного

вытеснения бурового раствора цементным.

Стойкость к сульфатной агрессии может быть увеличена за счет снижения содержания С3А и

свободной извести в цементе или давлением пуццолана. Пуццолановые добавки реагируют с известью, тем самым снижая количество извести, способной вступить в реакцию с сульфатом магния.

СНИЖЕНИЕ (РЕГРЕСС) ПРОЧНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ СИЛИКАТНОЙ МУКИ

При температуре в скважине менее 110 °С цемент продолжает гидратировать и набирать прочность в течение длительного периода (от нескольких дней до нескольких лет), пока не будет достигнута предельная прочность. При температуре выше 110 °С цемент набирает максимальную прочность в течение первых нескольких недель, а затем прочность начинает уменьшаться. Это явление обычно известно как регресс прочности. li В некоторых случаях снижение прочности может продолжаться до

точки разрушения и интенсивность этого снижения увеличивается с ростом температуры. Причина уменьшения прочности—превращение основных компонентов схватившегося цемента, известных как гидросиликат кальция (тоберморит) и двухкальциевый гидросиликат, при температуре около 121 °С. Новое соединение имеет большую пористость, чем тоберморит и, следовательно, больше подвержен агрессии пластовых флюидов.

Известно, что добавление 30—40 % силикатной муки в сухой цемент предотвращает образование двухкальциевого гидросиликата [1] и способствует образованию монокальциевого гидросиликата (ксонолита), который имеет меньшую пористость и прочнее двухкальциевого. Силикатную муку обычно используют при цементировании скважин со статической температурой более 110 °С.

СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

ВРЕМЯ ЗАГУСТЕВАНИЯ

Реакция между различными компонентами начинается сразу при добавлении к цементу воды,

что способствует росту вязкости цементного раствора. Время загустевания ТЗ определяется в

лаборатории для конкретного цемента, равно времени жидкого состояния раствора и служит критерием сравнения различных цементов [З], определяя срок прокачиваемо-сти. Таким образом,

вязкость может использоваться как критерий сравнения времени загустевания.

Время загустевания определяется как время, в течение которого цементный раствор достигает 100