Srub-stroi58.ru

Сруб Строй
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как повысить термостойкость цемента

Добавки

Как уже отмечалось, в вяжущие вещества, в растворные и бетонные смеси для регулирования, улучшения или придания специальных свойств во многих случаях вводят различные добавки. Они влияют на химические и физико-химические процессы при твердении вяжущих и бетонов, зачастую изменяя (модифицируя) микроструктуру затвердевшего камня в желаемом направлении. Такие добавки называют модификаторами.

С целью повысить технико-экономическую эффективность производства и направленного регулирования свойств при помоле цементов на основе портландцементного или глиноземистого клинкера в них допускается введение добавок в виде неорганических или органических природных или искусственных материалов или их смесей (ГОСТ 24640—81).

Добавки подразделяют по степени влияния на свойства цемента и по назначению на:

компоненты вещественного состава (активные минеральные добавки), изменяющие наименование цементов и обладающие гидравлическими и (или) пуццоланическИми свойствами (диатомиты, трепелы, вулканические породы, активные золы и шлаки);

наполнители — улучшающие зерновой состав цементов и структуру затвердевшего камня, не обладающие или обладающие слабыми гидравлическими или пуццоланическими свойствами при нормальных условиях твердения (малоактивные золы, шлаки, известняк.и др.);

технологические — интенсификаторы помола, уменьшающие продолжительность измельчения цемента;

регулирующие основные свойства цемента: сроки схватывания, ускоряющие твердение (Na2SO.b СаС12, Na2C03 и др.), повышающие прочность, воздухововлека-ющие, регулирующие водоудерживающую способность, повышающие пластичность цементно-песчаных растворов (пластификаторы), уменьшающие смачивание водой поверхности частиц цемента (гидрофобизирующие добавки);

.. регулирующие специальные свойства цементов: уменьшающие тепловыделение, регулирующие объемные деформации, повышающие коррозиеустойчивость, красящие и декоративные свойства, стабилизирующие (предупреждающие расслоение растворных и бетонных смесей), кольматирующие поры, повышающие термостойкость.

Добавки, ускоряющие твердение, должны повышать начальную прочность цемента не менее чем на 10 % при определении по ГОСТ 310.4—81. Добавки, повышающие прочность, должны обеспечивать увеличение активности в 28-суточном возрасте цементов марок 400 и ниже — не менее 10%, а марок выше 400 — не менее 7% (ГОСТ 310.4—81).

Эффективность добавок, повышающих пористость камня, должна быть не менее 50 % по сравнению с контрольной (без добавки).

Уменьшение тепловыделения цемента при введении соответствующей добавки должно быть не менее 10 % при сравнении с эталоном по ГОСТ 310.5—80.

Эффективность интенсификаторов помола цемента должна быть не менее 10 % по сравнению с измельчением цемента без добавок. Классификация добавок, вводимых в бетонные смеси для регулирования их свойств и свойств бетонов, а также критерии оценки эффективности и методы испытаний смесей и бетонов по ГОСТ, ТУ и СН приведены в ГОСТ 24211—80 (с пзм.).

В дальнейшем при описании свойств цементов и других вяжущих будет дано более подробное изложение условий применения главных из перечисленных добавок. Многие из них характеризуются полифункциональным действием на вяжущие вещества, бетонные смеси и бетоны. Например, ССБ (сульфитно-спиртовая барда) и СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) оказывают не только пластифицирующее влияние на бетонные смеси, но одновременно замедляют их твердение. Последнее явление преодолевается вводом в смеси одновременно добавок — ускорителей твердения. В связи с этим многие вещества используют совместно для достижения оптимального эффекта в регулировании различных свойств бетонных смесей и бетонов.

Введение каждой добавки в цементы, бетонные смеси отдельно усложняет технологию, особенно если число добавок более двух. В этом случае применяют комплексные добавки. Наиболее целесообразны добавки в виде сухих смесей. В. М. Москвиным, Ф. М. Ивановым, В. Г. Батраковым и другими разработаны комплексные порошкообразные водорастворимые добавки, пластифицирующие бетонные смеси, повышающие морозостойкость и конечную прочность бетона, ускоряющие его твердение. Применение этих добавок в оптимальном количестве способствует значительной экономии цемента и повышению прочности и долговечности бетонов. Их содержание зависит от многих факторов и должно устанавливаться экспериментально.

Термостойкие тампонажные цементы

Важнейшее условие термостойкости тампонажного цемента – образование в процессе его затвердевания термодинамически устойчивых соединений с хорошими структурообразующими свойствами, без чего нельзя получить высокую прочность и низкую проницаемость образующегося цементного камня. Хорошие структурообразующие свойства имеют кристаллические новообразования с высокой степенью дисперсности и анизотропией формы. Желательно, чтобы эти устойчивые соединения образовывались сразу же на первых стадиях процесса твердения, так как каждый процесс перекристаллизации в уже сформировавшейся структуре цементного камня сопровождается ее разупрочнением.

Поэтому при выборе состава термостойких цементов ориентируются на получение главным образом низкоосновных гидросиликатов: тоберморита или подобных ему ксонотлита, гиролита, трускоттита. Для этого к высокоосновным силикатным вяжущим веществам добавляют оксид кремния.

Если температура в скважине более 120 °С, то используют смеси портландцемента с различными видами оксида кремния. Портландцемент в качестве базового вяжущего материала целесообразно применять в некоторых случаях и до 160 °С. При больших температурах целесообразно использовать менее активные вяжущие вещества, содержащие двухкальциевый силикат. В качестве кальцийсодержащего компонента в этом случае успешно используются промышленные отходы – шлаки доменного и специальных чугунов, шлак флюсового феррохрома, нефелиновый шлам и др. Цементы из этих материалов наиболее экономичны и термостойки.

Дополнительное условие получения температуроустойчивого цементного камня – выбор вещественного состава и физического состояния компонентов в соответствии с условиями применения. Для получения наибольшей устойчивости гидратных новообразований следует выбирать вещественный состав и физическое состояние компонентов смеси такими, чтобы они имели наименьшую химическую активность. В этом случае стабильность структуры оказывается наилучшей. Наибольшие стабильность и конечная прочность наблюдаются при твердении смесей с добавками молотого кварцевого песка, когда уже к первым суткам твердения при 300 °С не наблюдается промежуточных фаз.

Читайте так же:
1кг цемента сколько литров

Цементно-кремнеземистые смеси. Термостойкий тампонажный цемент впервые получили путем добавки тонкоизмельченного (до полного прохождения через сито с размером ячейки 0,074 мм) кварцевого песка к обычному тампонажному цементу. В США до настоящего времени цементно-песчаные смеси – наиболее применяемые термостойкие цементы. Рекомендуется смешивать измельченный кварцевый песок с цементом в соотношении от 1 : 3 до 1 : 1. Измельченный кварцевый песок – добавка, которая хорошо сочетается с большинством цементов и почти не влияет на другие свойства цементного раствора. Для сохранения седиментационной устойчивости при неизменном водосодержании и быстрого химического взаимодействия кварца с продуктами гидратации цемента необходима высокая степень дисперсности песка.

Цементно-песчаные смеси при невысоких температурах характеризуются замедленными по сравнению с обычным цементным раствором загустеванием и схватыванием. При высоких температурах наблюдается лишь небольшое замедление загустевания по сравнению с раствором из портландцемента без добавки.

В США измельченный кварц вводят в цемент обычно на месте приготовления раствора. В России в заводских условиях изготовляют тампонажный песчанистый портландцемент совместного помола, содержащий 30-40 % кварцевого песка. Длительное гидротермальное воздействие, характерное для условий применения тампонажных цементов, делает возможным использование мелкого кварцевого песка без измельчения. Несмотря на то, что он неполностью вступает в химическую реакцию, повышенная скорость его поверхностного растворения при высоких температурах обеспечивает значительное повышение термостойкости при увеличении содержания по сравнению с молотым песком. Характерная особенность растворов с немолотым кварцевым песком – седиментационная неустойчивость. При добавке пластификаторов увеличивается опасность выпадения песка.

Шлакопесчаные цементы. При больших температурах скорость гидратации портландцемента излишне высока и требует применения замедлителей, поэтому поиски низкоактивных вяжущих веществ прежде всего предполагали получение медленносхватывающихся тампонажных цементов. Из числа низкоактивных вяжущих веществ для цементирования скважин в России наиболее широко используются доменные шлаки, в США – известковопуццолановые вяжущие.

Доменные шлаки содержат в основном те же оксиды, что и портландцементный клинкер. Но в них содержится значительно меньше оксида кальция и больше оксидов кремния и алюминия. Если шлак быстро охладить, что достигается при грануляции, то он застывает в стекловидном состоянии. Гидратационная активность при этом значительно повышается. Гранулированные доменные шлаки при затворении на воде и введении небольшого количества химических возбудителей (оксида кальция, портландцемента, сульфатов) способны медленно затвердевать. Гидратационная активность шлаков увеличивается при повышении температуры. В этом случае проявляют способность к твердению и закристаллизованные (отвальные) шлаки. Эта способность была использована при применении молотых доменных (гранулированных и отвальных) шлаков, как основы для получения медленносхватывающихся и термостойких тампонажных цементов. Скорость схватывания суспензий измельченных шлаков не намного меньше, чем портландцемента, однако схватывание значительно замедляется при их смешении с кварцевым песком, особенно молотым. При исследовании свойств шлаковых растворов выяснилось, что в условиях повышенных температур (выше 100 °С) они образуют к двум суткам твердения более прочный цементный камень, чем портландцементные растворы. При более высоких температурах термостойким является только шлакопесчаный цемент. Неблагоприятная особенность растворов на шлаковой основе – быстрое загустевание в присутствии небольших примесей портландцемента. Другой недостаток – широкие пределы колебания состава шлаков и свойств цемента в различных партиях.

Белито-кремнеземистый цемент (БКЦ). Нестабильность свойств шлакопесчаных цементов связана с разнообразием их минералогического состава. Между тем известны малоактивные вяжущие вещества, имеющие менее сложный состав. К их числу относятся нефелиновые шламы (отход производства глинозема из нефелиновых пород), которые состоят в основном из 2CaO × SiО2. Этот силикат кальция – один из компонентов портландцементного клинкера, он отличается медленным твердением при невысоких температурах и значительным ускорением твердения в гидротермальных условиях. Рояк С.М. и Дмитриев А.М. предложили использовать смесь нефелинового шлама с измельченным кварцем в качестве тампонажного цемента, названного ими белито-кремнеземистым цементом (БКЦ). БКЦ содержит нефелиновый шлам и кварц в отношении от 3 : 1 до 1 : 1. От шлакопесчаных цементов он отличается замедленным схватыванием при высоких температурах и замедленным начальным твердением. Высокая термостойкость, стабильность состава и свойств, благоприятная реакция на химическую обработку делают БКЦ одним из лучших цементов для высокотемпературных скважин. Аналог этого цемента выпускается цементной промышленностью США на основе специального клинкера, силикатная часть которого представлена только 2CaO × SiО2. Цемент относится к классу J и имеет марку HTS. Существует разновидность БКЦ, в которой нефелиновый шлам заменен саморассыпающимся шлаком ферросплавного производства, состоящим на 70-80 % из g-2CaO × SiО2. При охлаждении расплава этих шлаков сначала кристаллизуется b-2CaO × SiО2, однако при медленном охлаждении он переходит в g-форму, что сопровождается увеличением удельного объема кристаллической фазы и самопроизвольном рассыпанием шлака в тонкий порошок, называемый ферропылью.

Читайте так же:
Марка цемента для фундамента забора

Двухкальциевый силикат в g-форме при температурах, обычных для поверхности земли, реагирует с водой очень медленно, однако при высоких температурах (выше 120 °С) его водные суспензии приобретают способность достаточно быстро схватываться, а при добавке 30-50 % песка образуют цементный камень высокой термостойкости.

Известково-кремнеземистые цементы. При реакции гидроксида кальция (суспензия готовится, как правило, на основе гашеной извести-пушенки) с оксидом кремния образуются гидросиликаты кальция: nCa(OH)2 + SiO2 + mH2O = nCaO × SiO2 × mH2O.

При температурах ниже 40 °С реакция синтеза гидросиликата из Ca(OH)3 и SiO2 идет очень медленно, даже если оксид кремния брать в высокоактивной форме в виде диатомита или силикагеля. Применение ускорителей схватывания и твердения при этом неэффективно. В температурном интервале 40-80 °С следует применять смеси гашеной извести-пушенки с диатомитом, трепелом или пылевидной золой каменных углей. При этом получаются седиментационно-устойчивые суспензии с высоким водосодержанием, быстротвердеющие, особенно при добавках фторидов натрия, кальция, алюминия, но нуждающиеся в замедлении схватывания. Эффективными замедлителями являются соли винной, фосфорной и борной кислот. Суспензии извести и кристаллического кремнезема достаточно быстро затвердевают при температурах выше 120 °С, при этом без добавки замедлителя схватывания время сохранения прокачиваемости незначительно. При температурах выше 120 °С прочность цементного камня из известково-кремнеземистых тампонажных растворов посте­пенно снижается и повышается проницаемость. Поэтому наиболее благоприятная область применения этих материалов от 40 до 120 °С в составе тампонажных растворов пониженной плотности. При использовании известково-зольных смесей плотностью 1600-1700 кг/м 3 при В/Ц = 0,55-0,6 прочность образующегося камня выше, чем камня из других тампонажных растворов такой плотности.

Термостойкость бетона

Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах.
Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии.
Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара.
Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием.
Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер.
Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком.
Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона.
Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях.
В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне.
Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения.
Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента.

Читайте так же:
Как железнить полы цементом

Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С .

Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента.
При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 — продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня.
В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р — 2СаО*SiO2 в у — 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка — до 1 % и более.
Установление основной причины разрушения цементного камня — гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании.
Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок.
Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц.
Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости — продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя.
Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время.
Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона.
Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок.
Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами.
Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов.

Читайте так же:
Загрузочный рукав для цемента

научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХАКТИВНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ТАМПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТОВ Геофизика

ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХАКТИВНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ТАМПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТОВ - тема научной статьи по геофизике из журнала Бурение и нефть

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХАКТИВНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ТАМПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТОВ»

ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ ТИВНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПО!

liKOCTI ТАИПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТ01

И. БЕЛЕЙ, Н. ЩЕРБИЧ, ООО "ТюменНИИЛрогаэ" В. КОНОВАЛОВ, филиал "Тюменбургаз" ООО "Бургаз" В. НОЗДРЯ, ЗАО "Спецбурматериалы" Е. ЦЫПКИН, ООО "Гранула"

Основные объемы добычи газа на севере Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции обеспечивают в настоящее время залежи в неоком-сеноманских толщах. Базовые залежи месторождений Надым-Пуртазовского региона в значительной степени выработаны и вступили в стадию падающей добычи. В связи с этим актуальным становится расширение объемов поисково-разведочных работ на ачимовские и юрские отложения, а также строительство эксплуатационных скважин для разработки уже разведанных участков ачимов-ской толщи.

Учитывая значительно более сложные горно-геологические условия залегания указанных объектов, особенности характеристик по коллек-торским свойствам, пластовым давлениям и температурам, строительство скважин, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность, представляет сложную технико-технологическую задачу. В частности, для создания долговременной герметичной крепи в условиях повышенных пластовых температур 120 — 130"С требуется применение специальных тампонаж-ных цементов, позволяющих приготавливать тампонажные растворы с технологически необходимыми реологическими, фильтрационными, изолирующими и другими показателями и в то же время формировать термо-и коррозионностойкий камень.

Выпускаемые в настоящее время тампонажные портландцементы типа ПЦТ 1-100 и ПЦТ 11-100 допускается применять, согласно ГОСТу 1581-96, при статических температурах не более 100' С. Данное ограничение обосновано исследованиями авторов [1, 4], установивших, что в случае более высоких температур во времени происходит снижение прочности цементного камня и, что более опасно, увеличение его проницаемости в результате процессов термодеструкции.

Отмеченный вывод основан на результатах долговременных испытаний, однако наличие при повышенных

температурах процессов, отрицательно сказывающихся на прочностных характеристиках камня, может проявляться уже на ранней стадии твердения [5]. При тестировании стандартных тампонажных портландцементов в течение 24 часов авторами было установлено различие в интенсивности увеличения и конечных значениях прочности камня в зависимости от температуры твердения и избыточного давления. В образцах, испытываемых при температуре 120"С и характеризующихся более высокой начальной скоростью гидратации, наблюдается достаточно быстрая стабилизация значений R^, которые имеют меньшие величины по сравнению с образцами, твердевшими при 75°С (рис. 1).

Испытания проводились с использованием косвенного неразрушающе-го метода определения предела прочности камня при сжатии и непрерывного изменения его во времени с помощью прибора — ультразвукового анализатора 5265U фирмы Chandler Engineering. Анализатор позволяет производить испытания с использованием одного образца камня при заданных температурах

и давлениях и, несмотря на условность определений, обеспечивает сопоставимость результатов благодаря воспроизводимости с высокой точностью режимных условий твердения по температуре и давлению.

Полученные результаты в целом согласуются с данными, приведенными в работах [1, 4], в которых отмечается возможность формирования камня с более низкими прочностными характеристиками по мере увеличения температуры. По мнению авторов [2], это влияние одного из видов деструктивных процессов, который связан с кинетическими особенностями структурообразования. При большой скорости гидратации быстро достигаются высокие степени пересыщения -из пересыщенного раствора лавинообразно выделяются продукты гидратации. Одновременно выпадают и совместно кристаллизуются новообразования различного состава, образуя как бы наспех сформированную структуру. Чем быстрее протекает процесс гидратации, чем интенсивнее идет процесс формирования структуры, тем раньше начинается и тем интенсивнее протекает процесс деструкции.

Время твердения, час.

Рис. 1. Характер изменения прочности камня во времени при твердении растворов на основе тампонажных портландцементов различных заводов при температурах 75 и 120 (выход на режимные температуры и давления 40 и 60 МПа -60 мин.)

Топотки«ПЦТ 1-100 при 75b ТстзогаоАПЦТ 1-100 при I20fc НиюгроицюйПЦТ 11400 при 75 Ъ НоютроэдкийПЦТ 11-100 при 120'С СзположсгайПЦТ 1-100 при 75b Суяоложскнй ГЩТ 1-100 при 120*С

БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 122005

По мнению авторов [5], на основании результатов даже недолговременных испытаний можно говорить о возможной термостойкости тампо-нажного камня на базе стандартных портландцементов в зависимости от скорости гидратации и времени стабилизации его прочности.

Одним из основных способов целенаправленного повышения термостойкости тампонажного камня на основе портландцементов является использование специальных добавок с большим содержанием оксида кремния — кислотного компонента. Механизм взаимодействия кремнеземистых добавок с составляющими портландцемента изучен достаточно хорошо и заключается в связывании ими свободного оксида кальция как основного компонента и образовании более стабильных при повышенных температурах соединений [1, 2, 3, 4].

Существуют природные и искусственные кремнеземистые добавки. К природным относятся молотый кварц и кварцевые пески, диатомит, трепела и опоки, включая цеолитсо-держащие, цеолиты, вулканические стекла (перлиты и др.). Основные их характеристики приводятся в табл. 1. Природные кремнеземистые добавки различаются содержанием кремнезема, различными соотношениями полиморфных модификаций, разнообразными размерами и формами природных зерен, гидравлической активностью, обменной емкостью и водопоглощением, что позволяет использовать их для получения широкого спектра тампонажных цементов.

Читайте так же:
Бетон смешать цемент песок

К искусственным относятся золы, белая сажа, аэросил, "сиштоф" и прочие. Белая сажа и аэросил характеризуются преимущественно аморфным кремнеземом, высокой дисперсностью: 1 — 100 мкм и 5 — 40 мкм соответственно, объемной массой: 40 -100 кг/м3 и высокой активностью. "Сиштоф" имеет высокое содержание аморфной кремневой кислоты, А1201 до 12% и примесей 803

Для получения термостойкого, непроницаемого цементного камня в условиях высоких температур разработаны также специальные шлакопесча-ные цементы ШПЦС-120 (температура применения 100 — 160°С), ШПЦС-200 (температура применения 160 -200°С). Недостатками цементов ШПЦС являются: нестабильность состава — применяемый при изготовлении цемента доменный шлак имеет различный состав активных окислов кальция, алюминия, железа и др.; неудовлетворительные физико-механи-ческие характеристики (сроки тверде-

ния, прочность камня) при температурах менее 90 С, характерных для верхних интервалов в случае ступенчатого цементирования.

Поэтому наиболее оптимальным решением задачи по созданию термостойких цементов для цементирования обсадных колонн в интервалах ачимовских и юрских отложений, по нашему мнению, является добавка к стандартным тампонажным портланд-цементам тонкодисперсного кремнезема (8Ю2). Обычно в качестве такой добавки используют молотый кварцевый песок, чаще всего содержащий примеси полевого шпата, слюды, известняка. Присутствие этих примесей негативно влияет на свойства формирующегося цементного камня — происходит резкое снижение его прочности и коррозионной стойкости. Другой важной составляющей является размер зерен добавки. Чем больше дисперсность добавки, тем выше ее активность при взаимодействии с минералами цементного клинкера.

В результате тщательного анализа выпускаемых кремнеземов для получения седиментационно-устойчивых термостойких тампонажных растворов с плотностью 1800 — 1850 кг/м1 в качестве основной добавки был выбран молотый пылевидный кварц производства ЗАО "Спецбурматериалы", отличающийся следующими свойствами:

• высокой химической чистотой: БЮ2 > 98,5% с содержанием примесей СаО < 0,15%, Ре20, < 0,15%, А120, < 0,8%;

• высокой дисперсностью: остаток на сетке № 0063К составляет не более 9%, а средний размер зерен — около 25 — 30 мкм;

» высокой удельной поверхностью —

4 710 см2/г; ° наличием в своем составе активного кремнезема — а-тридимита и кристобалита, опала; ® низкой влажностью: массовая доля воды менее 0,15%. В опытах использовались тампо-нажные портландцементы Новотроицкого, Сухоложского, Топкинского и Горнозаводского заводов [5]. Соотношение портландцемента и кварца пылевидного выбиралось в основном из расчета 0,8 — 1,0% кварца на 1,0% трехкальциевого силиката C,S. Для оценки влияния величины добавки кварца на прочностные характеристики камня из Сухоложского портландцемента ПЦТ 1-100 и ПЦТ I-G-CC-1 исследованы составы, содержащие от 10% до 60% добавок.

Компоненты смешивались в сухом виде и затворялись на пресной воде при водосмесевом отношении В/С = 0,5. После замера основных технологических параметров тампо-нажные растворы подвергались автоклавной обработке в течение 24 и/или 48 час. при температуре 120°С и давлении 60 МПа. После автоклавного воздействия образцы цементного камня охлаждались, определялась их расчетная прочность на изгиб по прибору "Бетон-8УР" и прочность на сжатие на прессе фирмы Chandler Engineering.

С целью определения времени начала затвердевания тампонажных растворов и изучения характера изменения прочности камня в забойных условиях в процессе твердения испытания смесей проводились также на ультразвуковом анализаторе 5265U.

Время твердения, час.

Рис. 2. Характер изменения прочности камня во времени при твердении растворов на основе Сухоложского ПЦТо1-100 (срок хранения 3 мес.) с добавками кварца пылевидного при температуре 120 С (выход на режимную температуру и давление 60 МПа — 60 мин.)

БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 1 2/2005

Природные кремнеземистые добавки Табл. 1

Наименование Содержание химических компонентов Гранулометри- Минералогический состав,

добавки эю2 А1гОэ 0,1 £Рег03 СаО+МдО К20+Ма0г состав, мкм размер природных зерен

МОЛОТЫЙ КВАРЦ 99.5 0,01 Сл Сл 0-100 ФР 4 а — кварц; 1 — 10 мм

молотый КВАРЦЕВЫЙ ПЕСОК 98,3 0,5 0,2 Сл. Сл. 0-63 фр. 3 а — кварц,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Геофизика»

  • СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТАМПОНАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В СКВАЖИНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕРМОБАРИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ

БЕЛЕЙ И.И., ВЯЛОВ В.В., ЦЫПКИН Е.Б., ЩЕРБИЧ Н.Е. — 2007 г.

БЕЛЕЙ И., КОНОВАЛОВ Е., НОЗДРЯ В., САМОРУКОВ Д., СОКОЛОВИЧ А., ЩЕРБИЧ Н. — 2004 г.

БЕЛЕЙ И., ДОЛГУШИНА Н., КОНОВАЛОВ В., КУЛЯБИН А., ЛАЗАРЕВ В., ЦЫПКИН Е., ШТОЛЬ В., ЩЕРБИЧ Н. — 2006 г.

АСТАХОВ А.А., БЕЛЕЙ И.И., ВОЛКОВА Л.В., КАРМАЦКИХ С.А., КЛОЧКОВА Е.А., КОРОСТЕЛЕВ А.С., КУЛЯБИН А.Г., РЕЧАПОВ Д.А., РОДЕР С.А., ЦЫПКИН Е.Б., ЩЕРБИЧ Н.Е. — 2013 г.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector