5.1 Гельцементированные растворы

Гельцементные растворы способны твердеть и могут использоваться как для кольматации трещин устойчивых пород, так и для тампонирования обсадных труб и крепления неустойчивых (дробленые ) пород стенок скважин.

В отличие от нетвердеющих глиноцементных растворов содержание цемента в твердой фазе должно быть не менее 50 %, чаще оно составляет 80 %.

Так как вяжущим материалом в глиноцементном растворе является цемент, то закономерности его твердения те же, что и цементных растворов. Однако на процесс твердения цемента оказывает влияние наличие и минеральный, состав глинистых частиц.

Минералы монтморилонитовой группы существенно понижают прочность глиноцементного камня по сравнению с другими глинистыми минералами при одинаковой их концентрации в растворе. Это объясняется способностью натриевых монтморилонитовых глин адсорбировать из раствора ионы Са2+, что приводит к снижению концентрации Са(ОН)2 в растворе и недостатку его на образование кристаллогидратов портландцемента. Причем с течением времени процесс поглощения Са2+ увеличивается. Так, образцы с монтморилонитовой глиной укрепленные 15 % цемента, через 3-6 мес. самопроизвольно разрушаются. У аналогичных образцов с каолиновой и гидрослюдистой, глинами прочность, образцов оставалась постоянной. Поэтому в мелиорации грунтов для получения цементогрунтов выделяют каолинит как лучший глинистый материал.

Однако добавка монтморилонитовых глин к цементу в тампонажных глиноцементных растворах практикуется потому, что они повышают стабильность раствора, уменьшают его водоотдачу и плотность. При оптимальных дозировках глины снижается проницаемость и усадка камня, повышается его пластичность. При больших добавках бентонита раствор быстро загущается, сроки твердения значительно удлиняются, механическая прочность камня. понижается, вследствие понижения плотности повышается его прони­цаемости.

С целью улучшения качества бентонитоцементных растворов в него следует добавлять известь в виде кипелки СаО или гидрата кальция Са(ОН)2 для компенсации его убыли из раствора (в результате адсорбции монтморилонитом).

Однако вводить известь нужно в оптимальных количествах, определяемых экспериментальным путем. Избыток Са(ОН)2 выше равновесного с кремнеземом количества не раскристализовывается. Свободная, известь снижает прочность камня, легко выщелачивается пластовыми водами, что приводит к повышению проницаемости камня.

Так, например, добавка гельцементного состава: 70 % цемента и 30 % бентонита определена шестью-семью процентами. Прочность камня (в возрасте 7 суток) при этом возрастает с 33 до 87 кгс/см².

Добавки извести позволяют увеличить содержание глины в глиноцементном растворе до 50% при достаточно высокой прочности камня.

В качестве ускорителей схватывания применяют те же электролиты.что и для цементных растворов; NaCi, СаСl, MgCl₂, К2СО3, Nа2СОз.Na2SiOз и др.

Важно отметить что при наличии в растворе свободной извести добавки CaCl₂ приводят к конденсированным образованиям кристаллогидратов Са(ОН)₂-СаС1₂-Н₂О или совместно с цементными частицами - кристаллогидратов 3СаО^·Аl₂О₃·СаСl₂·Н₂О, способных уплотнять кристаллическую структуру камня и повышать его прочность.

Хлориды (до 6-10%) повышают прочность камня. При увеличении концентрации хлоридов одновалентных, металлов (свыше 10 %) цементные растворы разжижаются, сроки схватывания повышаются вследствие того, что гидроокись кальция и силикаты кальция (так же. как и другие кальцийсодержащие соли) в концентрированны, растворах хлоридов растворяются.

Для повышения прокачиваемости глиноцементных растворов в них, как и в цементные растворы и промывочные жидкости, добавляют разжижители-пластификаторы. Наиболее распространенным из них является сульфит-спиртовая барда, Которая способствует повышению прочности тампонажного камня. Наибольший эффект достигается при совместном использовании ССБ с CaCl₂.

В качестве понизителей водоотдачи и стабилизации раствора применяют те же полимеры, что и для цементных растворов: КМЦ СЭЦ и др. Установлено, что добавки к воде 0,1-0,2 % КМЦ или СЭЦ резко увеличивают плотность и непроницаемость камня, а также его прочность на 10-15 %.

Закупоривающую способность повышают теми же наполнителями, что и для цементных растворов.

Наиболее важны следующие характеристики глиноцементных растворов: водотвердое отношение (В/Т), сроки твердения, водоотдача.

Водотвердое отношение зависит от качества глины. Так, например, добавление к цементу каждые 10 % бентонита требует увеличения воды на 12-15 %, 10 % каолиногидрослюдистой глины - на 8% При этом каждые 10% бентонита снижают плотность раствора на 10-12 %, каолиногидрослюдистой глины - на 8-40%.

При цементировании скважин гельцементными pacтворами благодаря введению глины время начала схватывания, по сравнению с цементными растворами с В/Ц=0,5, понижается. Добавка любой глины до 30% (для некоторых глин до 40%) от веса сухих компонентов не влияет на время конца схватывания.

Водоотдача глиноцементных растворов не меньше, чем цементных, но происходит значительно с меньшей скоростью. Относительная потеря воды меньше, а конечное В/Т больше, чем у цементных растворов, что благоприятно для твердения цемента. С уменьшением глины и увеличением песка в растворе водоотдача увеличивается.

Наиболее важные характеристики глиноцементного камня: прочность сцепления с породами, усадка, водопроницаемость, коррозионная стойкость.

Прочность глиноцементного камня в зависимости от концентрации цемента и глины 3-30 МПа может изменяться в широких пределах (табл. 5.1).

Для обеспечения схватывания и последующего нарастания прочности глиноцементного камня предельное содержание бентонита в смеси не должно превышать, 50 % сухих компонентов. Кроме количества и качества состава твердой фазы на прочность камня существенное влияние оказывают различные добавки: ускорители схватывания, пластификаторы и др.

Сцепление со всеми горными породами и металлами глиноцементного. камня удовлетворительное. В отличие от цементного камня камень из глиноцементного раствора образует сцепление и с глинами, что является одним из его достоинств. Так, опыты показывают, что давление отрывка камня из глиноцементного раствора (состав - 70 % цемента и 30 % суглинка) от спрессованной глины может достигать 9 МПа. Образованию контакта в данном случае способствует более высокая влажность и малая усадка глиноцементного раствора.

Таблица 19.1

Тип глины	Состав, %		Прочность при твердении через 25 сут. В воде, кг/см2
	Глина	Цемент	На изгиб	На сжатие
Монтмориллонитовая	10 30 50 70 90	90 70 50 30 10	64 27 5 2 0	334 87 26 9 0
Каолинито-гидрослюдистая	10 30 50 70 90	90 70 50 30 10	60 30 10 3 0	399 172 56 13 0

По результатам испытания образцов (твердевших в воде) при перепаде давления Δр=1 МПа установлено, что про ницаемость самых различных по составу и соотношению компонентов глиноцементных смесей низка и находится в прёделах проницаемости цементного камня. Исследования глиноцементкого камня на водопроницаемость без специальных регулирующих добавок при Δр=3,3 МПа покачали, что после длительного твердения (в течение 4-6 мес.) в различных средах большая часть образцов оказалась совершенно непроницаемой, а отдельные образцы показали крайне низкую проницаемость.

Усадка камня. Экспериментальные данные, полученные различными авторами, показали, что глиноцементные образцы, по сравнению с цементами, дают значительно меньшую усадку (в три и более раз); особенно низка усадка камня из растворов на базе бентонитов.

Коррозионная стойкость. Результаты исследований показывают также, что глиноцементные растворы в любых средах, в том числе и в 10% растворах NaCl и Na₂SO₄, наращивают механическую прочность. Исключение составляют глиноцементные растворы на базе каолино-гидрослюдистых глин, при содержании глины более 30 %, которые разрушаются или снижают прочность в растворе Na₂SО₄. Прочность камня всех образцов, затвердевших в растворе NaCl 10%-е концентрации и выше с увеличением концентрации понижается.