Влияние малых отрицательных температур на процессы твердения цементных тампонажных материалов с полыми стеклянными микросферами

Семенов Вячеслав Сергеевич аспирант кафедры строительных материалов Орешкин Дмитрий Владимирович профессор, д.т.н.

МГСУ, ИСА, кафедра «Строительные материалы», факультет СТ

ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ПРОЦЕССЫ ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ

При строительстве нефтяных и газовых скважин возникает необходимость цементирования пространства между обсадными трубами, а также между обсадными трубами и горной породой. Для этой цели используются цементные тампонажные материалы.

Большинство учёных согласны с мнением о том, что, используя традиционные пористые наполнители (например, вермикулит, вспученный перлитовый песок т.п.), и при этом, выполняя требования по растекаемости, однородности раствора, прочности камня и т.п., невозможно получить цементный тампонажный раствор плотностью менее 1,3 г/см3 [4]. Наиболее прочным и технологичным наполнителем для тампонажных растворов являются полые стеклянные микросферы (ПСМС). Они обладают рядом преимуществ, в частности низкой средней плотностью, высокой прочностью, высокой теплоизолирующей способностью и химической стойкостью, стабильностью свойств.

С научной точки зрения интересен вопрос процесса твердения и струк-турообразования цементных тампонажных растворов с ПСМС в условиях низких положительных и малых отрицательных температур. Данная проблема в научной литературе не рассматривалась. Большая часть нефте- и газоносных месторождений Росси находится на территории Сибири и Крайнего Севера, то есть в условиях многолетних мёрзлых пород (ММП). Поэтому возникает необходимость строительства скважин в данных условиях. Для многолетних мёрзлых пород характерны температуры -5... - 8°С. Традиционно при цементировании скважин в условиях ММП для ускорения схватывания и твердения тампонажного раствора в затрубном, межтрубном пространстве в его состав вводят гипс или добавки-электролиты [3]. Гипс обладает низкой водостойкостью, что приводит к значительному снижению прочности (до двух раз) и, соответственно, несущей способности цементного материала. Добавки-электролиты ускоряют процесс гидратации цемента при низких температурах в основном за счет сдвига температуры замерзания воды до -10°С и, одновременно, вызывают коррозию стальных обсадных труб и муфт.

После смешивания тампонажного портландцемента, микросфер и воды на поверхности твердых частиц образуется слой воды разной природы. В работе [4] была высказана гипотеза о характере структурообразования цементного композита с ПСМС. Микросферы адсорбируют на себя ионы и продукты гидратации цемента, так как обладают большей адсорбционной активностью по сравнению с более крупными частицами цемента. Следовательно, микросферы в цементном материале с ПСМС являются макро-

Спецвыпуск 1/2009

центрами кристаллизации. Д.В.Орешкиным в работе [3] была предпринята попытка определения толщины водяного слоя на поверхности частиц цемента и микросфер (табл.1). Средние размеры частиц приняты для ПЦТ -35,9 мкм, для ПСМС - 25,45 мкм, АПСМС - 25 мкм. Растекаемость для всех составов - 20...22 см. Форма частиц цемента считалась шарообразной. За основу был взят стандартный тампонажный раствор стандартной расте-каемости, который получается при В/Ц = 0,5. В расчёте принималось сплошное смачивание водой частиц цемента и микросфер.

Анализ результатов, приведённых в табл. 1, показывает, что самые низкие значения толщины слоя воды вокруг частиц в тампонажном растворе имеют аппретированные кремнийорганическим гидрофобизатором микросферы (АПСМС) с СП С-3, затем - АПСМС без суперпластификатора.

Таблица 1.

Физические свойства цементного тампонажного материала с полыми стек-

лянными микросферами

Состав, мас.% В/Ц Средняя плотность, г/см3 Объемная доля цем. матрицы Толщина слоя воды, мкм

раствора цем. матрицы

ПЦТ 0,5 1,815 1,83 1 6,65

ПЦТ + С-3 0,35 1,93 1,96 1 5,05

10 % ПСМС 0,75 1,265 1,639 0,743 4,75

10 % ПСМС+С-3 0,5 1,38 1,836 0,688 4,07

20 % ПСМС 1,0 1,15 1,519 0,64 4,74

20 % ПСМС+С-3 0,75 1,05 1,641 0,59 4,44

30 % ПСМС 1,34 0,95 1,412 0,6 4,75

30 % ПСМС+С-3 1,0 0,89 1,519 0,545 4,54

50 % ПСМС 1,75 0,85 1,33 0,527 4,74

50 % ПСМС+С-3 1,4 0,82 1,397 0,481 4,49

10 % АПСМС 0,7 1,32 1,688 0,745 4,49

10 % АПСМС+С-3 0,45 1,41 1,888 0,698 3,79

20 % АПСМС 0,9 1,1 1,561 0,645 4,49

20 % АПСМС+С-3 0,69 1,15 1,679 0,601 4,29

30 % АПСМС 1,1 0,92 1,484 0,586 4,49

30 % АПСМС+С-3 0,9 0,89 1,561 0,549 4,38

50 % АПСМС 1,5 0,82 1,377 0,523 4,49

50 % АПСМС+С-3 1,2 0,78 1,449 0,477 4,29

Следом идут обычные микросферы с С-3, потом обычные ПСМС. У всех микросфер толщина слоя воды вокруг частиц практически не зависит от их расхода в тампонажном растворе. При этом максимальный слой воды (толщина - 6,65 мкм) в цементном растворе образуется на частицах цемента. Это связано, видимо, с быстрым возникновением новообразований мелких размеров и формированием слоя воды вокруг них.

Согласно классификации А. В. Волженского, в цементном камне содержатся следующие виды пор:

- сферические воздушные поры размером от 5*10-5 м до 2*10-3 м.

- капиллярные поры размером в поперечнике от 1*10-7 м до 2*10-5 м.

- гелевые поры размером менее 1*10- м.

При температурах ниже 0 оС вода в порах и капиллярах ведёт себя по-разному в зависимости от их размеров. ИИ. Лифановым и Д.В. Орешки-

Спецвыпуск 1/2009

ным были проведены соответствующие дилатометрические исследования

[2, 3].

По мнению И.И. Лифанова [2] в цементном камне для пор различного размера характерны следующие температуры замерзания воды:

- для воздушных пор Тзам =-2...-4°С. Подобная температура замерзания воды (чуть ниже 0°С) в воздушных порах объясняется, видимо, наличием растворённых в ней веществ.

- для капиллярных пор Тзам =-5... - 12°С (в зависимости от размера капилляров).

- для гелевых пор Тзам = -25... -45°С (также в зависимости от размеров). Таким образом, микросферы в подобных цементных системах являются

макроцентрами кристаллизации, адсорбируя на себя воду и продукты гидратации цемента. Толщина слоя воды на поверхности микросфер составляет в среднем 4,5 мкм. С другой стороны, хорошо известны данные о температурах замерзания воды в порах различного диаметра. Температура замерзания воды в порах размером 4,5 мкм должна составлять примерно -10... - 12°С. Это обстоятельство позволяет высказать гипотезу: предполагается, что использование кладочных и тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами оптимального состава за счет равномерного тонкослойного распределения воды затворения вокруг твердых частиц позволит цементному раствору твердеть без использования гипса, добавок-электролитов или позволит значительно снизить их количество.

Список литературы

1. Вода в дисперсных системах / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овча-ренко и др. - М.: Химия, 1989, - 288 с.

2. Лифанов И.И. Исследование морозостойкости бетона: учебное пособие. - М.: МИСИ, 1992. - 92 с.

3. Орешкин Д.В., Фролов А.А., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мёрзлых пород. - М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2004. - 235 с. ил.

4. Первушин Г.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещиностойкости облегчённых цементных материалов. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - 212 с.

Соколов Кирилл Александрович

студент 5 курса технологического факультета МГАКХиС Баженова Ольга Юрьевна доцент, к.т.н.

МГАКХиС, технологический факультет, кафедра технологии производства и художественной обработки силикатных материалов Баженова Софья Ильдаровна МГСУ, ИСА, кафедра ТВВиБ

ДЕКОРАТИВНЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Современная архитектурная застройка предъявляет повышенные требования к отделочным материалам. Наибольшее распространение получи-