Вяжущие материалы

ЛЕКЦИЯ 9. Вяжущие материалы Кроме цементов в качестве вяжущих веществ используются другие материалы ,обеспечивающие твердение или потерю подвижности тампонажных смесей при выполнении работ в скважинах : 1.На основе силикатов и других материалов минерального происхождения: Жидкое стекло 2Na2O · SiO2 - ортосиликат Na2O·SiO2- метасиликат Na2O·SiO2-дисиликат В водном растворе жидкого стекла образуется щелочь и выделяется аморфный кремнезем в виде белого осадка: Na2O·nSiO2+H2O= NaOH+ SiO2 Поэтому активность жидкого стекла при формировании тампонажного камня оценивается по объему осадка в его водном растворе-и чем больше этот осадок кремнезема ,тем ниже активность жидкого стекла.При увеличении срока хранения водного 50-60 %-ного раствора жидкого стела его активность снижается из-за образования осадка кремнезема. Силикатизация-действие жидкого стекла на глиносодержащие горные породы при добавлении его к буровым растворам : 2Na2O·SiO2+2CaCl2+ H2O= 2Ca SiO2·nH2O-гидросиликат кальция, Образуются хлопья гидросиликата кальция ,который выступает в роли цементирующего вещества и способствует поддержанию стенок скважин в устойчивом состоянии ,снижая гидратацию глиносодержащих горных пород. Кроме того,жидкое стекло может выступать в качестве ускорителя схватывания цементных тампонажных растворов, а так же улучшает гидроизоляционные свойств цементного камня. Гипс : (CaSO4·2H2O) -это природный гипсовый камень -вещество минерального происхождения. При нагревании гипса получают строительный гипс-алебастр,который то же является вяжущим веществом: 2CaSO4·2H2O+to C (110-170°С)= 2CaSO4·0,5 H2O+ 3H2O Полуводный строительный гипс-вещество, обладающее высокой химической активностью при контакте с водой, интенсивно твердеет как самостоятельное вещество, а так же может использоваться как добавка в составе цементных растворов ,обеспечивающая ускорение твердения цементного камня.При взаимодействии алебастра с водой образуется вторичный гипс ,обеспечивая создание скелета твердеющего цементного камня на ранних стадиях его гидратации : CaSO4·0,5 H2O+ H2O= CaSO4·2H2O+ H2O-вторичный двухводный гипс Алебастр - CaSO4·0,5 H2O -мелкозернистая разновидность гипса (из справочника по минералогии). Недостатки: -Высокая скорость твердения; -Низкая стойкость камня в условиях агрессии подземных вод; -Могут применятся только в условиях низких пластовых давлений; -Размягчается в условиях контакта с подземными водами. Плюсы: -Хорошо сочетается с компонентами тампонажных растворов любого состава; -Ускоряет схватывание; -обеспечивает увеличение объема тампонажного камня при твердении, т.е. может использоваться как расширяющая добавка при твердении цементных тампонажных смесей; -Возможность применения алебастра в качестве основного вяжущего в составе быстросхватывающихся смесей; -Используется для оперативного тампонирования. Известь Белое вещество, хорошо образующее раствор в виде молочно-белой эмульсии. CaCO3 - мергелистый известняк (глиносодержащий) –чаще всего применяется для получения извести ,такой известняк содержит в своем составе глинистые компоненты в виде силикатов,алюминатов и оксидов железа : CaCO3 +Al2O3·2SiO2·2H2O+Fe2O3 При нагревании известняка образуется химически оксид кальция –негашеная известь - нагревание известняка доводят до 900 о С : CaCO3 + Q (t 900C) → CaO + CO2↑ + H2O При нагревании глинистые так же минералы разлагаются глинистые минералы с образованием химически активных алюминатов кальция и ферритов кальция,активно вступающими в реакции с водой до получения гидроалюминатов кальция и гидроферритов кальция : CaO·Al2O3 и CaO·Fe2O3 - разложение глин и получение однокольцевых соединений: CaO+CaO* Al2O3 + CaO* Fe2O3+ H2O при взаимодействии с водой образуются соединения , усиливающие действие извести как вяжущего вещества в составе тампонажных растворов : CaO * Al2O3 *H2O - гидроалюминаткальция CaO * Fe2O3 *H2O - гидроферриткальция Известь может использоваться как базовое вяжущее вещество, обладающее рядом полезных свойств. Используется в составе известковых и комбинированных тампонажных растворов. Известь обладает антисептическими свойствами. Предпочтение должно отдаваться известковым тампонажным растворам при тампонировании водозаборных скважин. Глина Структурообразователь в составе тампонажных растворов на основе минеральных материалов. Усиливает коагулирующее действие цементных растворов, используется в качестве наполнителя в составе других тампонажных растворов в том числе, на основе органических веществ. Используется для башмачного тампонирования (забрасывание на забой глинистых шариков) обсадных колонн в разведочных неглубоких скважинах. 2.Материалы органического происхождения - получаются путем синтеза из исходных форм органического происхождения: высокомолекулярные смолы, латексы, битумы, извлекаемые в результате переработки природных минеральных образований, лигносульфонаты (ССБ, СДБ,), ГИПАН, ГПАА, КМЦ, поливиниловые кислоты. Преимущества органических по происхождению материалов: - Низкая плотность и широкая возможность ее регулирования от утяжеления до аэрирования; - Возможность регулирования сроков схватывания; - Способность фильтрующейся жидкости затвердевать; - Хорошая адгезия (сцепляемость) тампонажного камня с горными породами; - Высокая седиментационная устойчивость; - Отсутствие усадки при твердении; - Отсутствие контракции (уменьшение объема); - Полная непроницаемость камня; - Инертность шлама к промывочной жидкости; - Отсутствие агрессивного действия флюидов на цементный камень; - Возможность применения материалов органического происхождения для модификаций; - С помощью материалов органического происхождения можно улучшать подвижность тампонажных растворов, то есть снижать гидравлические сопротивления (снижение эффективной вязкости); - Способность улучшать прокачиваемость тампонажных растворов, способность заполнять поры и трещины; - Улучшает эластичность тампонажного камня в условиях динамических нагрузок; - Усиление прочности твердеющего камня. Широко используется модификация тампонажных смесей при добавках полимеров: • увеличивается подвижность тампонажных смесей • увеличивается прокачиваемость • снижается проницаемость тампонажного камня • повышается эластичность • осуществляется армирование камня волокнами полимеров. 2.1.Синтетические смолы – это смесь высокомолекулярных соединений, чаще всего: Карбамидные смолы – продукт конденсации мочевины карбамида с формальдегидом (газ – CH2O; CH2O + вода – водный раствор – формалин) Фенолформальдегидные смолы ( C6Н5ОН – фенол) + CH2O Алкилрезорциновые смолы . Наиболее часто используют товарные продукты: • МФ – мочевиноформальдегидная • МФФ – мочевиноформальдегидная фурфурольная • ММФ – мелимано-мочевино формальдегидная • КФ – карбамидно формальдегидная Смолы имеют плотность 1,17 ÷ 1,5 г/см3 Цвет – от белого до темно-коричневого Консистенция – жидкость сиропоподобная Часто применяют эпоксидные смолы, т.к.: • стойкие к агрессии солей; • не дают усадки при твердении • твердеют без выделения летучих компонентов. Отвердители смол эпоксидных: • карбоновые кислоты (RCOOH) • карбамидные смолы Применяют чаще эпоксидно-диановые смолы: ЭД-5 и ЭД-6. Применяемые отвердители смол: • кислота щавелевая • кислота лимонная • кислота соляная • кислота фосфорная Соли: • хлорное железо • хлорный цинк • хлористый аммоний. • Недостатки синтетических смол: • слабое сродство с глинистой коркой • плохо смываются с инструмента и оборудования при промывке после выполнения тампонажных работ. Недостатки во многом устраняется • за счет ввода минеральных добавок: глины, цемента, песка т е ввода наполнителей. Наполнители для смесей на основе синтетических смол: Что дают: • снижают усадки • уменьшают количество летучих компонентов • уменьшают растекаемость по каналам и трещинам в породах интервала тампонирования • снижают расход смеси и вяжущего. В качестве наполнителей могут применяться многие отходы производств, удовлетворяющие требованиям: • инертность к исходному материалу • определенный размер зерен • недефицитные материалы Наиболее часто применяемые наполнители тампонажных растворов : а) Волокнистые материалы: • растительного происхождения: • очесы хлопка • торф, мох • отходы кожи • отходы кордного волокна • • минерального происхождения: • асбестовые волокна • стеклянные волокна • б) чешуйтые: • отходы слюды • отходы целлофана • рыбья чешуя • в) зернистые: • грубый бентонит • измельченная резина • ореховая скорлупа 2.2.Латекс – синтетический материал, получаемый путем эмульсионной полимеризации смолы каучукового дерева в водном растворе органических поверхностно-активных веществ: Латекс представляет собой жидкость плотностью 0,96-0,97 г/см3 -это белая, кремовая жидкость, содержащая: • воды - до 56% • каучука – до 37% • белков - 2÷2,5% • смол – 1,5÷3,5% • сахар, жирные кислоты – остальное. твердые 2.3.Битумы полутвердые -подразделяют по агрегатному состоянию и используют в различных целях. Жидкие Возможно применение битумов для целей проведения тампонажных работ следующих разновидностей: 1) БН – нефтяные, получаемые при переработке нефти - твердые и полутвердые (твердые нефтяные – высокомолекулярные соединения, полутвердые – содержат органические соединения) и содержат в своем составе : • масла – низкомолекулярные соединения, плотность до 0,93 г/см3 • смолы – плотность около ~1г/см3, хорошо растворимы в бензине, бензоле • асфальтены – твердые и хрупкие, растворимы в бензоле • и другие вещества. Чем больше асфальтенов, тем выше температура размягчения битумов. 2) Природные битумы – чаще всего в виде асфальтита (камень, т.к. минеральная основа таких битумов в виде горной породы), очевидно масел и смол мало – больше асфальтенов – минеральных веществ; у них выше плотность, чем у нефтяных битумов. Асфальтит – это • битуминозные песчаники • битуминозные известняки или асфальтитовая порода, или битуминозные смолы ,которые извлекают из асфальтитов (породы из которых извлекают битумы) Свойства битумов: • нерастворимы в воде • водонепроницаемые • эластичные • обладают вяжущей способностью • хороши для гидроизоляции Битумы вязкие тела – текут (расплавляются) под действием перепада давления. Чистые битумы – вязкие тела, которые текут (расплавляются) под действием перепада давления в скважине даже в твердом виде: • плохо разбуриваются • налипают на буровой инструмент Получают из битумных сланцев. БС – битумы сланцевые, вязкие БЖС – битумы сланцевые жидкие ,получаемые из : • битуминозных песчаников • битуминозных известняков. Битумы – вязкие вещества, способные течь под воздействием перепада давления,имеют плотность 1,0÷1,3 г/см3. 2.4. Лигносульфонаты – применяют в составе вязкоупругих тампонажных смесей (ВУТС),-это ССБ и СДБ ,которые при взаимодействии с солями поливалентных металлов образуют водонерастворимый гель, который со временем переходит в твердообразную нетекучую массу,обеспечивая заполнение трещинно-порового пространства в интервалах тампонирования.