Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [ 56 ] 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225

рых наблюдаются деструктивные явления в виде спадов упругости и прочности.

Модули быстрой эластичной деформации в первой и второй стадиях для портландцемента изменяются в пределах от 103 до 105 Па, наблюдается развитие медленных высокоэластичных деформаций, с периодом релаксации (1+3) 102 с.

В третьей и четвертой стадиях модули быстроэластичной деформации изменяются от 106 до 109 Па, резко уменьшается период релаксации высокоэластичных деформаций, что указывает на коагуляционно-кристаллизационные и кристаллизационные структуры в этот период.

При увеличении давления зерна цемента испытывают возрастающую нагрузку. В микротрещины зерен вода (особенно обработанная ПАВ) проникает на большую глубину. Зерно цемента (покрытое микротрещинами, наличие которых объясняется резкими температурными изменениями и ударными нагрузками при производстве цемента) разрушается, обнажаются новые поверхности, активность его повышается, тампонажный раствор интенсивнее загустевает и быстрее затвердевает.

В период вязкопластичного состояния (до начала схватывания) сцепление высокодисперсных продуктов гидратации обусловливается ван-дер-ваальсовыми и водородными силами связи, что приводит к образованию тиксотропной коагуляци-онной структуры.

Сцепление частиц друг с другом происходит также за счет ненасыщенных валентных связей, возникающих в результате механического разрушения кристаллической решетки.

Природа сил, обусловливающих прочность тампонажного камня, имеет различные толкования, основанные как на кристаллизационной, так и на коллоидно-химической теории. В первом случае она объясняется срастанием кристаллов в местах контактов за счет ионно-химических связей, а во втором - сцеплением частиц благодаря ван-дер-ваальсовым поверхностным силам.

Таким образом, процесс структурообразования вяжущих веществ происходит в два этапа. Результатом первого этапа является коагуляционная структура частиц и гидратных новообразований. Пластическая прочность структуры к этому моменту низка, темп нарастания ее медленный и зависит от связывания воды, степени диспергирования цемента в воде и накапливания гидратных новообразований. Такая система тиксотропна и связь между частицами в ней обеспечивается через гидратные оболочки, которые отделяют их друг от дру-

га. После механического разрушения системы связь восстанавливается.

Второй этап характеризуется возникновением и развитием кристаллизационной структуры гидратов цементных минералов. Поверхность частиц увеличивается, возникают молекулярные связи между ними. Этот процесс характеризуется интенсивным нарастанием прочности структуры. При этом формируется непосредственная связь между частицами, которая отличается высокой прочностью и необратимым характером разрушения (например, при запоздалом продавливании раствора).

Существенное влияние на процесс твердения цементного камня оказывают температура и давление. Ускоряется гидратация, изменяется растворимость твердых веществ в жидкой фазе, что влияет на степень и механизм перенасыщения; при высоких температурах изменяется фазовый состав продуктов гидратации цементов, шлаков и других вяжущих материалов.

Фазовый состав затвердевшего цементного камня очень сложен. Гидратация портландцемента сопровождается образованием продуктов, мало отличающихся от продуктов гидратации основных его минералов С38, в = С28, С3А, С4АГ.

Гидратация С38 и в = С28 в нормальных условиях приводит к образованию гидросиликатов кальция с изменяющимися в широких пределах составом и степенью закристаллизо-ванности.

Наиболее быстро гидратирующимся минералом портландце-ментного клинкера, определяющим сроки схватхвания тампо-нажного цемента и начальную прочность формирующегося камня, является трехкальциевый алюминат С3А. Затворение водой приводит к образованию вокруг исходных зерен рыхлой пластинчатой оболочки кристаллов гидроалюмината кальция. Через сутки степень гидратации С3А составляет 70-80 %.

В подавляющем большинстве скважин изоляционные работы, как правило, производятся чистыми портландцемент-ными растворами, тогда как физико-механические свойства камня возрастают в случае введения в них кварцевого песка, особенно при высоких температурах и давлениях.

Конечные результаты формирования цементного камня в скважине, являющиеся следствием физико-химических процессов, протекающих на фоне образования коагуляционной и кристаллизационной структуры (загустевания и твердения тампонажного раствора), а также скорость протекания этих процессов определяются водоцементным отношением (чем ниже температура, тем существеннее), условиями твердения, в

Т а б л и ц а 3.1

Сроки схватывания и время загустевания цементных растворов

первую очередь температурой (чем выше температура, тем активнее), давлением, природой цемента, а также количеством и природой химических реагентов (активаторов, замедлителей и стабилизаторов).

Именно в процессе формирования камня (цементного кольца) в скважине и совершаются процессы, которые приводят либо к сплошному цементному камню, либо к образованию в нем флюидопроводящих каналов.

Механическое перемешивание существенно изменяет переход раствора из жидкого состояния в твердое, удлиняя или сокращая этот процесс. В скважине время движения раствора определяет состояние раствора и в последующем физико-механические параметры камня.

Время загустевания короче сроков схватывания растворов; различия между ними достигают ощутимых значений и этого нельзя не учитхвать.

Остановки в процессе закачивания цементного раствора в скважину могут допускаться лишь на первой стадии структурообразования.

В табл. 3.1 сопоставляются начало схватывания и время загустевания растворов из карадагского цемента для скважин с температурой 75 °С.

На диспергацию твердой фазы и ускорение загустевания и схватхвания цементных растворов влияют не только абсолютное значение давления, но и колебания давления, возникающие при закачке растворов в скважину.

Одновременное колебание температуры и давления (по программе изменения условий при закачке и движении там-понажного раствора) значительно влияет на время загустевания раствора, которое отличается от времени загустевания, определяемого при забойных температурах и давлении.