17. Коррозия тампонажного камня Классификация процессов коррозии цементного камня

Основным фактором, снижающим долговечность цементного камня, является его коррозия. Под коррозией следует понимать разрушение камня и потерю им основных свойств под действием окружающей среды.

По механизму коррозионного поражения цементного камня все виды коррозии можно разделить условно на три группы: физическая, химическая и термическая коррозии.

Физическая коррозия цементного камня - это процесс его разрушения за счет влияния окружающей среды, при котором не происходит химического взаимодействия между цементным камнем и окружающей средой. Наиболее часто этот вид коррозии встречается при действии на камень знакопеременных температур или периодического увлажнения, а также при действии некоторых солей, кристаллизующихся в порах камня. Процессы физической коррозии представляют интерес в плане сохранения надежности крепи скважин в зоне ММП, т.к. они могут привести к смятию обсадных колонн в скважинах после их остановки.

Химическая коррозия, цементного камня обусловлена процессами взаимодействия окружавшей среды с составляющими камня. Пластовые воды большинства месторождений содержат в своем составе растворенные соли различных кислот и щелочей и являются весьма агрессивными к тампонажному камню. Ввиду сложности химического состава вод, не представляется возможным описать механизм разрушения камня из-за взаимовлияния различных ионов. Поэтому на практике оценивают преобладающий вид коррозии и изучают его на однокомпонентных растворах.

Термическая коррозия обусловлена фазовыми переходами продуктов твердения в более термодинамически устойчивые фазы или фазовыми переходами, при которых идет укрупнение кристаллов и уменьшение их поверхности. Процессы термокоррозии характерны для высокотемпературных скважин, имеют важное значение и их рассмотрение вынесено в отдельную главу.

18. Разрушение цементного камня под действием знакопеременных температур

Перемещение фронта буровых работ в Северные и Северо-Восточные районы нашей страны обусловило возникновение новых задач, связанных с бурением и креплением скважин в многолетнемерзлых породах. Одной из самых сложных проблем, возникших при этом, явилось крепление скважин. Крепь скважины в зоне многолетнемерзлых пород может подвергаться периодическому действию отрицательных и положительных температур. Известно, что цементный камень представляет собой капиллярно-пористую структуру (тело), по порам и капиллярам которого возможна миграция воды или ее накопление при изменении влажности окружающей среды. Капиллярные поры цементного камня, находящегося в затрубном пространстве и изолирующего водоносные пласты, как правило, заполнены водой. Пори цементного камня, находящегося в межколонном пространстве и твердевшего при недостатке влаги, могут быть частично незаполненными. При действии отрицательных температур вода, находящаяся в порах и капиллярах, способна замерзать и переходить в твердое состояние. В первую очередь замерзает вода, находящаяся в крупных порах и капиллярах. В мелких порах температура замерзания жидкости значительно ниже. В гелевых порах вода практически не замерзает даже при температурах минус 50°С. Объем образовавшегося льда приблизительно на 9 % больше объема воды и в результате этого в цементном камне развиваются внутренние напряжения за счет кристаллизационных давлений замерзающего льда, как на стенки пор, так и на незамерзающую воду. В том случае, когда величина этих давлений превысит прочность цементного камня на разрыв, в месте их возникновения наблюдаются деструктивные процессы, приводящие к образованию микротрещин. При последующих циклах замораживания или оттаивания число микротрещин увеличивается, а часть замкнутых и гелевых пор может переходить в открытые капиллярные, способные заполняться водой из окружающей среды. Накопление микротрещин в камне приводит, в конечном итоге, к его полному разрушению.

На долговечность камня при действии знакопеременных температур влияют следующие факторы: степень гидратации цемента, водоцементное отношение, вид и количество добавок, вид и активность вяжущего и т.д.

Влияние водоцементного отношения в основном обусловлено формированием соответствующей структуры порового пространства камня. Ранее было показано, что с уменьшением водоцементного отношения снижается суммарная пористость и средний эффективный радиус пор. Прочность камня при снижение водоцементного отношения возрастает. С уменьшением пористости и размеров капилляров уменьшается общее количество воды, находящейся в порах, и, следовательно, способность замерзать при одновременном понижении температуры. Кроме того, возрастает число резервных (закрытых) пор, являющихся демпферами возникающих напряжений. Увеличение прочности цементного камня повышает его сопротивляемость к действию, растягивающих напряжений, вызываемых кристаллизационным давлением.

Вид вяжущего и его активность оказывают существенное влияние к действию отрицательных температур. Камень на основе портландцемента, при прочих равных условиях, будет более стоек к циклическому действию отрицательных температур, чем камень на основе пуццолановых и шлаковых цементов. Это объясняется увеличением доли клинкерной части в объеме цементного камня, а, следовательно, возрастанием количества резервных пор, т.к. чем больше продуктов гидратации в единице объема, тем больше количество замкнутых пор, образованных и обезвоженных в результате контракции. Камень из глиноземистых цементов, как правило, более стоек, чем из портландцемента, за счет того, что на гидратацию глиноземистого цемента требуется почти в 2 раза больше воды. В результате этого доля капиллярных пор, образованных химически несвязанной водой будет меньше, и радиус пор будет меньше. Повышенная величина контракционного эффекта по сравнению с портландцементом повысит долю замкнутых пор в камне, увеличив тем самым демпфирующую способность камня к напряжениям, возникающим в результате замерзания воды. Активность вяжущего тесным образом связана со степенью гидратации цементов.

Применение добавок ускорителей твердения и пластификаторов должно повышать долговечность. Однако, пластификаторы, как правило, замедляют процессы твердения вяжущих и поэтому применение их в больших дозах нежелательно. Отрицательное влияние на стойкость камня к действию циклических температур оказывают добавки глины в цементный раствор.

Во-первых, гельцементные растворы обладают высокой водопотребностью и, как результат этого, большая капиллярная пористость. Во-вторых, глинистые частицы, находящиеся в камне, уменьшают его прочность. Это значит, что при креплении скважины в зоне многолетнемерзлых пород нецелесообразно применять гельцементные растворы. Хорошую перспективу для крепления скважин могут иметь белито-алюминатные цементы, сочетающие в себе преимущества алюминатных вяжущих и портландцементов.