Тепловыделение при гидратации цементов, применяемых для тампонажа скважин

 

Свойства тампонажного раствора и образующегося из него цементного камня обусловлены главным образом физико-химическими процессами при гидратации цемента, а тепловыделение непосредственно связано с гидратацией, являясь следствием этого процесса. Поэтому динамика физико-механических свойств цементного раствора может объективно характеризоваться изменением его собственной температуры [77].

Процесс гидратации большей части цементов характеризуется несколькими периодами повышения и понижения интенсивности выделения тепла.

Первый период наступает немедленно после затворения цемента и длится всего несколько минут. А так как в промысловых условиях в этот период времени цементный раствор транспортируют насосами в скважину, то для контроля за цементированием скважин первый период интереса не представляет.

Второй период увеличения температуры более длительный (1 - 2 ч), чем первый. Скорость тепловыделения в этот период сравнительно низкая, в то время как механические свойства цементного раствора существенно изменяются в сторону увеличения сопротивления сдвигу.

Третий период характеризуется повышенной скоростью выделения тепла гидратирующим цементом. Максимальная температура при нормальных условиях отмечается не менее чем через 6 - 8 ч после затворения, затем наблюдается медленное понижение температуры. В этот период происходит так называемое схватывание цементного раствора, обусловленное главным образом взаимодействием минералов группы С_зА и соли CaS0₄ с образованием гидросульфоалюминатов кальция.

Главной особенностью гидратации цемента и формирования цементного камня в условиях скважины состоит в том, что эти процессы происходят при повышенных температурах и давлениях. С повышением избыточного давления среды увеличиваются удельная поверхность продуктов гидратации и количество связанной воды, а следовательно, интенсифицируется тепловыделение.

Исследования влияния температуры и давления на процесс тепловыделения тампонажных цементов (на примере цементов Новороссийского завода " Октябрь" ) показали следующее.

Повышение температуры приводит к ускорению процесса гидратации тампонажных портландцементов, а собственная температура цементного раствора при этом резко увеличивается, достигая максимального значения в условиях автоклава за сравнительно короткое время. Скорость гидратации минералов (и особенно С₃А) заканчивается до начала гидратации минералов группы C₃S.

В результате этого на термограмме, характеризующей собственную температуру цементного раствора, можно выделить периоды гидратации отдельных групп минералов.

С повышением давления процессы гидратации тампонажных портландцементов интенсифицируются. Особенно активизируется минерал С₃А при значении водотвердого отношения (В/Т), равном 0, 6. Однако при этом время достижения максимальной скорости гидратации для минералов С₃А и С₃S для данного цемента не зависит от давления.

На рис.25 приведен график, характеризующий изменение скоростей реакции гидратации при твердении портландцемента. Каждый из участков кривой характеризует изменение скорости реакции гидратации того или иного его компонента. Так, участки кривой, обозначенные буквами , соответствуют скоростям гидратации минералов - С₃А, C₃S, C₂S. Во всех случаях имеет место некоторое взаимное перекрытие времени реакций, так как скорости тепловыделения никогда не понижаются до нуля. Несмотря на это, дифференцированность кривых изменения скорости тепловыделения при повышенных температурах и давлениях настолько четкая, что появляется возможность контролировать термографическим методом физико-химические процессы в цементном растворе и даже оценивать минералогический состав используемых портландцементов.

 

 

Рис.25. Вариации скорости изменения температуры портландцемента во времени, обусловленные реакциями гидратации минералов при давлении 30 МПа и температуре 100 °С: а₁ - Сз; а₂, - С₃S; а₃ - C₄F; a₄ -C₂S

 

Эксперименты с использованием замедлителей сроков схватывания показали, что общий характер изменения собственной температуры цементного раствора в условиях теплообмена с окружающей средой не изменяется: после начала схватывания наблюдается рост температуры, а после окончания схватывания - ее понижение. В количественном отношении неоднократно зарегистрированные в период ожидания затвердевания цемента термограммы косвенно характеризуют эффективность различных замедлителей и могут использоваться для оптимизации процесса крепления скважин.

Аналогичные результаты получены при исследовании цементно-песчаных и цементно-глинистых смесей.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: