Технологічні властивості цементного порошку, розчину і каменю 2 страница

Орієнтовно коефіцієнт пластичної в'язкості Г|_плта динамічну напругу г₀ зсуву можна розрахувати за емпіричними формулами:

(2.10)

(2.11)

де - коефіцієнт пластичної в'яз-

кості, мПа-с; т₀ - динамічна напруга зсуву, Па; S_nm - питома поверхня цементного порошку, м²/кг; Р/Ц - відношення маси рідини до маси це­менту; р_р - відносна густина рідини.

Формули справедливі для тампонажного портландцементу без актив­них мінеральних додатків осадового походження за температури 10-25°С протягом часу не більше 3 год. з моменту приготування.

Седиментаційна стійкість тампонажного цементного розчину залежить від різниці густин твердої та рідинної фаз, концентрації твердої фази в рідині (Р/Т), ступеня дисперсності твердої фази. Швидкість осі­дання пов'язаних одна з одною частинок суспензії (м/с) може бути орієнтовно визначена за формулою:

(2.12)

де р_т, р_р - густини твердої та рідинної фаз; кг/м³, g - прискорення вільного падіння, м/с²; т| - динамічний коефіцієнт в'язкості рідинної фази,

Пас; ; ω - коефіцієнт іммобілізованої (нерухомої) води,

со = 0, 36-0, 18 (для тампонажного портландцементу і різних додатків до нього). Для тампонажного портландцементу S _пит = 320 м²/кг, р_т = 3200 кг/м³, Р/Т = 0, 45

і и ≈ (1-5)-10-⁶м/с.

Водовідділення тампонажних розчинів залежить від хіміко-мінерало-гічного складу і дисперсності твердої фази цементного розчину, а також від температури та тривалості перемішування. Граничне водовідділення розчину тампонажного портландцементу ПЦТ-Д0 (S _пит. = 300 м²/кг), вимі­ряне в склянних циліндрах діаметром 36 мм для висоти стовпа цемент­ного розчину 230 мм, таке:

Вхідне водоцементне відношення 0, 4 0, 5 0, 6 0, 8 1 1, 5

Коефіцієнт граничного

водовідділення, % рідини від

об'єму цементного розчину 1 3 10 15 20 30

Рис.2.8- Типові криві загустіння тампонажних розчинів

Коефіцієнт водовіділення в скляних циліндрах (за ГОСТ 26798.1-85) виз­начається звичайно за 3 год. і для тампонажних розчи­нів не повинен перевищу­вати 2%.

Загустіння цементно­го розчину в часі т харак­теризують консистентні-стю м_к і показують кри­вою загустіння, яку отри­мують за допомогою кон­систометра. На кривій за­густіння (рис. 2.8) для тампонажного портландцементу, що не містить активних мінеральних додатків осадового походження, спостерігають звичайно три стадії - стадія розрідження, інкубаційна стадія і стадія інтенсивного загущення (крива 1). За вмісту понад 8% таких домішок (опоки, трепелу, глієжі) можливою є поява „горба", що відповідає тимча­совому підвищенню консистенції (крива 2), за вмісту подрібненого кварцу чи шлаку - „сходинки" (крива 4), а розчини типу гіпсоглиноземистого цементу, в яких структуроутворення відбувається внаслідок появи еттрін-гіту та інших добре викристалізованих мінералів, дають криву загустіння за кривою 3, котра характеризує швидке початкове загустіння з наступ­ним розрідженням.

Швидкість тужавіння (схоплювання, затвердіння), яка вимірюється в спокої за допомогою ігли Віка, може бути вищою або нижчою швидкості загустіння, котра вимірюється за постійного перемішування в консисто­метрі. Загустіння при перемішуванні настає пізніше, ніж схоплювання, якщо переважає кристалізаційне структуроутворення, і навпаки - якщо переважає коагуляційне структуроутворення.

Із зростанням водовмісту крива загустіння зміщається вниз і вправо (рис. 2.9). Часи загустіння і схоплювання зменшуються з ростом темпе­ратури і тиску, а час схоплювання (початок і кінець) зростає з підви­щенням водоцементного відношення (рис. 2.10-2.14).

Водовіддача тампонажних портландцементних розчинів у по­ристе середовище (кількість відфільтрованої води) та швидкість водо-відділення залежать від таких факторів, що й седиментаційне водовідді-лення, і, крім того, від перепаду тиску та щільності упаковування частинок у фільтраційній кірці, яка пов'язана з дисперсністю та конфігурацією частинок. Тампонажні портландцементні розчини характеризуються

320

рис. 2.9- Криві загустіння порт­ландцементних тампонажних розчинів у часі з різним водовмістом при температурі 22°С: 1 - В/Ц = 0, 35; 2 - 0, 4; 3 - 0, 5; 4 -0, 55

Рис. 2.11 - Залежність термінів часу за­густіння τ заг. портландцементного там­понажного розчину з В/Ц = 0, 5 від тиску р при температурі 75°С

Рис. 2.10- Залежність часу за­гу-

стіння τ _заг. портландцемент­ного

тампонажного розчину з В/Ц = 0, 5

від температури t за атмосферного тиску

Рис. 2.12 - Залежність термінів часу охоп­лення т_сх тампонажних розчинів з порт­ландцементу від водоцементного відно­шення В/Ц при температурі 22°С: 1 - тер­мін початку охоплення; 2 - термін кінця охоп­лення

Рис. 2.13- Вплив температури t на терміни часу Рис. 2.14 — Вплив тиску р на тер­міни часу

охоплення т_сх тампонажного розчи­ну з початку схоплений т_{п сх} тампонажного

портландцементу з В/Ц = 0, 5 при ат­мосферному розчину з порт­ландцементу при температурі:

тиску: 1 - термін початку охоплення, 1 -22°С; 2-75°С

2 - термін кінця охоплення

значно гіршою водоутримувальною здатністю, ніж глинисті розчини, і значно більшою водовіддачею. Умовна, виміряна на приладі ВМ-6 за перепаду тиску 0, 1 або 0, 7 МПа та екстрапольована на 30 хв., водо­віддача становить для звичайних тампонажних цементних розчинів 400-900 см³. Фактично вся вода, яка здатна до відділення, відділяється за декілька секунд. Із зменшенням відношення Р/Т і збільшенням частки хімічних додатків, які змінюють в'язкість, коефіцієнт іммобілізованої води і ступінь агрегації частинок (КМЦ, гіпан, нітролігнін і т. д.), умовна водо­віддача зменшується (табл. 2.77).

Внаслідок високої водовіддачі цементний розчин стає в'язким, трудно пропомповуваним, швидко схоплюється.

Властивості цементного каменю

Цементним каменем називається пористе тверде тіло, яке утворю­ється під час твердіння тампонажних розчинів.

Різні тампонажні матеріали утворюють цементні камені з різними властивостями, однак спільною характеристикою для них є зміна власти­востей у часі. Під час твердіння усіх тампонажних матеріалів утворений цементний камінь з тією чи іншою швидкістю проходить стадії структу-

Таблиця 2.77 - Водовіддача тампонажних розчинів, оброблених

деякими хіміч­ними реагентами

роутворення і потім деструкції, в ході яких усі властивості цементного ка­меню безперервно змінюються [200].

Хімічні реакції гідратації більшості сполук цементу екзотермічні, оскільки проходять з виділенням тепла (табл. 2.78). Кінетика тепло­виділення відповідає кінетиці гідратації. Цементи, які швидко твердіють, тонко розмелені чи містять підвищену кількість гідратаційно активних мінералів, виділяють тепло більш інтенсивно (табл. 2.79). За підвищеного водовмісту умови для прискореної гідратації покращуються і тепло­виділення відбувається інтенсивніше (табл. 2.80), але розсіювання тепла в поровій рідині також інтенсифікується, тому температура цементного розчину підвищується значно менше. Підвищення температури і тиску прискорює тепловиділення (табл. 2.81, 2.82). Коефіцієнт теплопровідності цементного каменю орієнтовно характеризується даними табл. 2.83.

Таблиця 2.78 - Тепловиділення різних типів цементів при В/Ц = 0, 4 і 20°С

Таблиця 2.79 - Тепловиділення портландцементу за різних ступенів подріб­неності порошку

Таблиця 2.80 - Тепловиділення в процесі тверднення тампонажного портланд-цеме нту за різних водоцементних відношень (t = 20°С) __________

Таблиця 2.81 - Тепловиділення тампонажного портландцементу за різного тиску

(t =20°С, В/Ц = 0, 5)

Таблиця 2.82 - Тепловиділення тампонажного портландцементу за різної тем­ператури (тиск атмосферний, В/Ц=0, 4)

Таблиця 2.83 - Коефіцієнт теплопровідності повністю водонасиченого порт-ладцементно го каменю за різного ступеня гідратації, Вт/(м-°С)

Властивості цементного каменю є функцією пористості, міцності елементів твердої фази і контактів між ними, дисперсності і морфології частинок твердої фази. Пористість залежить від вхідного водоцемент-ного відношення, складу новоутворень, їх питомого об'єму та ступеня гідратації.

Характерні для цементного каменю із тампонажного портландце­менту криві зміни міцності на стискання в часі за різних температур показано на рис. 2.15, а в залежності від водоцементного відношення -на рис. 2.16. Міцність на згин є в 2, 5-4 рази меншою, а на розтяг - у 5-10 разів (табл. 2.84).

Рис. 2.15- Криві зміни міцності σ _ст цементного каменю на стискання із портланд­цементу з В/Ц = 0, 5 у часі т.

Тверднення в середовищі перегрітої рідини за тиску і температури:

№ кривої 1 2 3 4 5 6

Тиск, МПа атмосферний 20 60 80 120

Температура, °С 22 75 120 160 200 300

Таблиця 2.84 - Співвідношення границь міцності а цементного каменю при стисканні ет_ст, згинанні о_згин і розтягуванні а_{ро: тіг}

Рис. 2.16- Залежність міцності о_ст цементного каменю на стискан­ня із портландцементу від водо-цементного відношення В/Ц після З діб тверднення при 75°С

Рис. 2.17 ' - Криві зміни коефіцієнта водо­проникності цементного каменю із портландцементу в часі т за різної тем­ператури: 1 - 22°С (5= 2560 см²/г); 2 - 22°С (S = 3600 см²/г); 3 - 75°С; 4 - 200°С

На рис. 2.17 показано криві зміни коефіцієнта водопроникно­сті в часі за різної температури, на рис. 2.18 - криві залежності коефіцієнта водопроникності від водоцементного відношення.

Цементний камінь при твердінні у воді дещо збільшується в об'ємі, при твердінні на повітрі або в іншому середовищі зниженої відносної вологості дає усадку (рис 2.19).

Міцність елементів твердої фази, міцність контактів між ними, дис­персність та морфологія частинок залежать від їх складу та умов утворення в цементному камені, який твердіє. За температури від 20 до 90°С проникність цементного каменю незначна (коефіцінт проникності порядка 1, 5-10³ мкм²), а за вищої температури (130-200°С), камінь із портландцементу має коефіцієнт проникності (3-7)-10~³ мкм² і вище. Коефіцієнт загальної пористості становить 0, 34-0, 64, а на пори діа­метром до 20 нм, які не доступні для фільтрації рідин і газів, припадає 0, 1-0, 2 об'єму пор.

Рис. 2.18 - Залежності коефіцієнта водопроникності від водоцементного відно­шення: а - при t= 22°С; 1 - після 24 год. тверднення; 2 - після 48 год.; З - після 72 год.; 4 - через 1 рік.; б ~ після 3 діб тверднення при t = 75°С \р = 0, 1 МПа

Рис. 2.19 - Криві зміни відносного об'єму твердіючого цементного каменю в часі х: 1 - в умовах необмеженого надходження води з довкілля; 2 - в умовах, які виключають втрату води у довкілля; 3 - в умовах втрати води у довкілля за відносної вологості со = 80%; 4 - також за ю = 60%; 5 - також за со = 40%

2.2.18 Регулювання властивостей тампонажних

розчинів з допомогою хімічних реагентів

і характеристика цих реагентів

Регулювання властивостей розчинів Усі випадки та умови використання тампонажних матеріалів передба­чити неможливо, тому головною вимогою до тампонажних матеріалів є можливість регулювання їх властивостей у досить широких межах [341 ]. Властивості тампонажних розчинів для різних умов використання не можуть бути забезпечені тільки вибором відповідного виду тампонаж­ного матеріалу і підбиранням рідиннотвердого (водоцементного) від­ношення (табл. 2.85). Тому властивості, як правило, під час приготування розчинів регулюються введенням до їх складу хімічних реагентів, ак­тивних домішок і наповнювачів.

Як правило, хімічні реагенти і матеріали, які додаються до тампо­нажної суміші, виявляють комплексне діяння і змінюють одночасно декілька параметрів, а в ряді випадків у небажаному напрямку. Тому реагенти вибирають за основним діянням, враховуючи побічне діяння та інші параметри (вартість, рівноцінність технічного ефекту, технологічність використання, агрегатний стан, умови постачання і т. д.).

До параметрів тампонажних систем, кількісна зміна яких часто викликається необхідністю технології або особливостями умов сверд­ловини, відносяться: для цементних розчинів - час загустіння, терміни тужавіння (схоплювання), густина, водовіддача, реологічні властивості, седиментаційна стійкість; для цементного каменю - механічна міцність, корозійна стійкість, проникність [200, 341].

У залежності від рідини замішування, як вказано вище, розчини на основі тампонажних цементів виокремлюють на водні, водоемульсійні (во-донафтові) і нафтоцементні (дизельне пальне, гас, безводна нафта і інше), а за часом початку тужавіння - швидкотужавні з терміном тужавіння не менше 40 хв., прискоренотужавні (від 40 хв. до 1 год. 20 хв.), нормаль-нотужавні (від 1 год. 20 хв. до 2 год.) і повільнотужавні (більше 2 год.).

Регулювання властивостей розчинів здійснюють, використовуючи реагенти п'яти найважливіших класів (табл. 2.86) [200]:

1. Прискорювачі тужавіння і твердіння тампонажних розчинів -реагенти, які вводяться для скорочення часу очікування затвердіння тампонажних розчинів; такими використовують, в основному, неорганічні низькомолекулярні сполуки, зокрема: хлориди кальцію (ХК) СаС1₂, натрію (ХН) NaCl, калію (ХК) КС1 та алюмінію (ХА) А1С1₃, сульфати натрію (СН) Na₂S0₄ та калію (СК) K₂S0₄, карбонати калію (КК) К₂С0₃ та натрію (КН) NajCOj, силікати натрію (НС) Na₂Si0₃ та калію (КС) K₂Si0₃,

Таблиця 2.85 - Відомості про мінеральні тампонажні матеріали [168]

Примітка: ПЦ - портландцемент; ШГЩС - шлакопіщаний цемент спільного помелу; ШГЩА - шлакопіщаний цемент армований; ПЦГ -полегшений цемент для помірних і підвищених температур; ОЦГ - обважнений цемент для помірних і підвищених температур; ОЩЦ -обважнений шлаковий цемент

Таблиця 2 86 -Рекомендовані області використання хімічних реагентів для регулювання властивостей тампонажних

розчинів [200, 341]

______________________________