Содержание к диссертации
Введение
Научно-технический анализ проблемы трещиностойкости тампонажных материалов 10
Основные методы оценки трещиностойкости цементных материалов 10
Работа цементного камня в скважине и причины его трещинообразования 18
Выводы по главе 1. Научная гипотеза 22
Разработка методики исследований. оборудование. материалы 24
Методики исследований и оборудование 24
1. Методика изготовления образцов 24
2. Методика проведения равновесных испытаний на растяжение при изгибе 24
3. Методика проведения равновесных испытаний на растяжение 30
4. Методика проведения химического и микроструктурного анализа 33
5. Методика проведения рентгенофазового анализа (РФА) 35
Характеристика применяемых материалов 35
1. Вяжущее 35
2. Наполнители 36
3. Модификатор 38
Определение расхода материалов 38
Выводы по главе 2 40
Исследование трещиностойкости традиционных тампонажных материалов 42
Исследование структуры и свойств облегченных тампонажных материалов со вспученными перлитовым и вермикулитовым песком 42
2. Повышение трещиностойкости традиционных тампонажных материалов 56
3. Оптимизация составов традиционных тампонажных материалов 63
Выводы по главе 3 67
Исследование трещиностойкости тампонажного материала с АПСМС 69
1. Исследование структуры и свойств тампонажного материала с АПСМС 69
2. Изучение трещиностойкости модифицированного тампонажного материала с АПСМС 77
3. Оптимизация составов модифицированного тампонажного материала с АПСМС 84
Выводы по главе 4 87
Разработка технологии цементирования облегченным тампонажным раствором с АПСМС и С-3 и проведение промысловых испытаний 88
1. Технология цементирования скважин облегченным тампонажным материалом с АПСМС и С-3 повышенной трещиностойкости 89
2. Опытно-промысловые испытанияния облегченного тампонажного материала повышенной трещиностойкости 102
3. Экономический эффект применения облегченного тампонажного материала повышенной трещиностойксти 104
Общие выводы 107
Список использованной литературы 109
- Основные методы оценки трещиностойкости цементных материалов
- Методика изготовления образцов
- Исследование структуры и свойств облегченных тампонажных материалов со вспученными перлитовым и вермикулитовым песком
- Исследование структуры и свойств тампонажного материала с АПСМС
Введение к работе
Материалы на основе тампонажных цементов применяются при строительстве нефтяных и газовых скважин для герметизации затрубного пространства между стальными обсадными трубами, а также между обсадной трубой и горной породой. Обсадные трубы и затвердевший цементный камень в затрубном пространстве создают конструкцию скважины. Таким образом, тампонажным камень является конструкционным строительным материалом.
В процессе эксплуатации скважины в тампонажном камне возникает напряженное состояние. Это связано с разнообразием нагрузок, действующих на камень, находящийся в кольцевом пространстве. Ствол скважины не всегда направлен прямолинейно и вертикально. Поэтому на некоторых участках скважины возникают изгибающие усилия при наличии горного давления. К тому же, форма цементного кольца не является строго цилиндрической на всем протяжении скважины. Это связано с кавернозностью (наличием каверн) пробуренного ствола скважины и ведет к возникновению дополнительных локальных напряжений. Этому также способствует различная несущая способность пластов, которые пересекает скважина. Кроме того, на цементный камень действует собственный вес вышележащего кольца.
После цементирования затрубного пространства, в нижней части скважины производится перфорация стальной колонны и цементного кольца для вывода нефти или газа из недр земли в скважину. Иногда давление газа в пласте достигает 80 МПа. При добыче нефти часто наблюдается разница давлений в нефтеносных пластах и эксплуатационной колонне скважины. При этом может возникнуть эффект гидроудара. Такие процессы приводят к потере массы цементного кольца нижней части скважины за счет отколов. При этом могут возникнуть трещины, в которые проникают нефть, газ, пластовые воды.
Еще более сложные условия работы скважины в районах многолетних мерзлых пород (ММП), где оставшаяся в кавернах промывочная жидкость замерзает. При этом возникают кристаллизационные давления, иногда превышающие предел прочности стальных труб. Следовательно, тампонажный камень в скважине воспринимает изгибающие и растягивающие нагрузки, а также всестороннее сжатие вокруг стальной трубы. Можно, видимо, считать, что цементное кольцо в таких условиях работает на упругом основании, каковым является обсадная труба.
При эксплуатации скважины на цементный камень могут влиять различные агрессивные среды. Это приводит к развитию процессов коррозии. По природе процессы коррозии цементного камня скважины можно разделить на две группы:
Процессы, связанные с воздействием пластовых вод различной минерализации. В этих водах присутствуют Са , Mg , СГ, S04 \ S ".
Процессы, связанные с воздействием соединений нефти и газа.
Все перечисленные факторы могут вести к появлению и развитию трещин в цементном камне. А это, в свою очередь, нарушает целостность конструкции скважины из-за перетоков из пласта в пласт, вызывающих потерю давления в нефтегазоносных горизонтах при их добыче, снижает ее дебит. В условиях ММП появление трещин еще и ухудшает теплоизолирующие свойства тампонажного камня, что может привести к растеплению горных пород, окружающих скважину. Это влечет за собой нарушение герметичности за-трубного пространства и, даже обрушение скважины.
Все эти негативные явления снижают долговечность конструкции скважины и, в конечном итоге - ее надежность.
Большой вклад в разработку методик определения и исследования тре-щиностойкости внесли: Ю.М. Баженов, Г.И. Горчаков, Е.А. Гузеев, Ю.В. Зайцев, А.А. Клюсов, С.Н. Леонович, И.П. Новикова, Л.П. Орентлихер, Д.В. Орешкин, Г.Н. Первушин, В.А. Перфилов, Г.П. Сахаров, В.В. Тур, В.И. Шев-
ченко и др. Существенный вклад в изучение работы цементного камня в условиях скважины и разработку тампонажных материалов, в том числе, облегченных, внесли: Ф.А. Агзамов, P.M. Алиев; М.О. Ашрафьян; B.C. Бахшу-тов; Г.А. Белоусов; А.И. Булатов; И.Ю. Быков; Г.Т. Вартумян; В.И. Вяхирев; А.А. Гайворонский; А.Н. Гноевых; B.C. Данюшевский; В.В. Ипполитов; А.А. Клюсов; Ю.Р. Кривобородов; В.И. Крылов; Д.А. Крылов; Т.В. Кузнецова; А.К. Куксов; Е.Г. Леонов; М.Р. Мавлютов; М.А. Мариампольский; Д.Ф. Но-вохатский; В.П. Овчинников; Д.В. Орешкин; А.П. Осокин; Г.Н. Первушин; А.Г. Потапов; С.А. Рябоконь; А.А. Фролов; З.Б. Энтин; Б.Э. Юдович и др.
Таким образом, трещиностойкость является одним из важнейших свойств тампонажного материала. Вопросы трещиностоикости для таких материалов практически не изучались.
Целью работы является разработка составов облегченных тампонажных материалов повышенной трещиностоикости с улучшенной структурой и свойствами для предупреждения осложнений при креплении скважин. Основные задачи исследований
Исследование условий работы облегченного цементного камня и определение путей повышения трещиностоикости.
Разработка необходимого комплекса методик для исследования свойств облегченных цементных тампонажных материалов.
Изучение структуры и определение свойств облегченных цементных тампонажных материалов со вспученными перлитовым (ВПП) и вермикули-товым песком (ВВП) и аппретированными полыми стеклянными микросферами (АПСМС).
Оптимизация составов облегченных тампонажных растворов при помощи математического планирования эксперимента и обработки результатов исследований. Получение математических моделей.
Определение трещиностоикости облегченных цементных тампонажных материалов при одинаковых плотностях раствора.
Методы решения поставленных задач. Поставленные задачи решались на основе анализа данных, содержащихся в литературных источниках, экспериментальных работ, методов математического планирования эксперимента. Расчеты осуществлялись на ПЭВМ при помощи программы «Excel». Научная новизна работы
Установлено, что трещиностойкость тампонажного камня может быть повышена путем уплотнения его цементной матрицы камня за счет снижения воды затворения, а также введением в раствор активного наполнителя повышенной прочности.
Впервые предложен критерий количественного определения трещино-стойкости тампонажного камня - по удельным энергозатратам на инициирование локальной трещины.
Установлено, что введение суперпластификатора в облегченный тампо-нажный раствор снижает объемную долю цементной матрицы камня, повышая ее прочность и плотность.
Выявлено химическое взаимодействие между гидратированным цементом и активными наполнителями в облегченном тампонажном растворе в период озц.
Установлен общий характер зависимости трещиностойкости при осевом растяжении и изгибе от качества структуры цементного камня.
Основные защищаемые положения
Научно-технические пути получения облегченного цементного материала повышенной трещиностойкости.
Комплексную методику количественного определения трещиностойкости цементного камня, ее критерий.
Результаты изучения структуры, свойств облегченных цементных там-понажных материалов, сравнение с различными наполнителями (ВПП, ВВП, АПСМС).
4. Двухфакторные зависимости свойств облегченного цементного камня от его состава и структуры.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Предложенная методика позволяет количественно определить показатели трещиностойкости и сравнивать цементные тампонажные камни любой плотности.
Количественно определены физико-механические свойства облегченных цементных тампонажных материалов, а также объемная доля, средняя плотность и прочность цементной матрицы таких материалов.
Произведено количественное сравнение трещиностойкости материалов с ВВП, ВПП и АПСМС, имеющих одинаковые средние плотности раствора.
Получены математические зависимости свойств от состава, позволяющие определить расход материалов для требуемых горно-геологических условий нефтегазовой скважины.
Разработана технология цементирования скважин облегченным тампо-нажным материалом повышенной трещиностойкости.
В результате промысловых испытаний на трех нефтяных (ЗАО «Первая Национальная Буровая Компания») и одной газовой (ДООО «Тюменбургаз») скважинах облегченного тампонажного материала с АПСМС и СП С-3 благодаря стабильности свойств раствора и повышенной трещиностойкости цементного камня проведено качественное цементирование скважин (подъем цементного раствора до устья за один прием без осложнений). Экономический эффект составил более 1,2 млн. рублей.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 4-ой научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (МГСУ, г. Москва, 2001 г.); 7-ой международной конф. «Проблемы строительной теплофизики, систем микроклимата и энергосбережения в зданиях» (НИИСФ, г. Москва, 2001 г.); всероссийской конф. «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы. Нефть и газ европейского
Северо-Востока» (УхГТУ, г. Ухта, 2003 г.); заседании кафедры строительных
материалов Московского государственного строительного университета (г.
6) Москва, 2003 г.); научном семинаре и расширенном заседании кафедры бу-
рения Ухтинского государственного технического университета (г. Ухта, 2003 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 118 страницах, включает в себя 33 рисунка, 23 таблицы. Список использованной литературы содержит 99 наименований.
О)
Основные методы оценки трещиностойкости цементных материалов
Под трещиностойкостью материала принято понимать его способность сопротивляться образованию локальных трещин. Как считают большинство авторов, основной причиной появления трещин в цементном материале является возникновение общих и локальных напряжений, превышающих предел прочности и модуль упругости бетона при растяжении.
Впервые трещиностойкость неармированного бетона исследовалась Н.А. Поповым и Л.П. Орентлихер в 1958-1959 гг. [1], а позже Б.Г. Скрам-таевым и М.Ю. Лещинским.
В работе [2] систематизированы наиболее известные методы оценки трещиностойкости и выделены три основные группы: косвенные методы оценки по физико-механическим характеристикам; методы непосредственной оценки; методы оценки, основанные на моделировании структуры материала.
Согласно [3] для оценки трещиностойкости также могут применяться концепции механики разрушения - нового научного направления, которое широко развивается в последнее время.
Косвенные методы оценивают трещиностойкость материалов по их физико-механическим свойствам, или по коэффициентам, учитывающим сочетания свойств. При этом главными признаками, оценивающими трещиностойкость, являются прочность, модуль упругости бетона. В этом качестве в работах В.В. Стольникова и Р.Е. Литвиновой [4, 5] предлагается использовать деформацию удлинения при осевом растяжении. В работах [6, 7] в качестве критерия трещиностойкости берутся коэффициенты: К і учитывающий растяжимость бетона; К2 - отражающий возможность появления трещин, если деформации усадки будут превышать предельную растяжимость бетона. В работе [8] оценивается влияние эксплуатационных условий. Автор использует коэффициент, учитывающий предельную растяжимость бетона при её увеличении вследствие ползучести и усадку от действия влажности и карбонизации бетона. Аналогичный подход предложен Г.П. Сахаровым для оценки трещиностойкости ячеистого бетона [9]. По его мнению, трещиностойкость изделий из обычного ячеистого бетона на тонкомолотом песке определяется в основном влажностной усадкой, а из вибровспученного ячеистого бетона - предельной растяжимостью. Окончательный же вывод основывается на совместном их рассмотрении в виде разности, распределенной по нормальному закону. Условие, при котором трещины в изделиях появляться не будут, имеет следующий вид: (7аР ифР или єу єР; где а р - действующее растягивающее напряжение; аФР - фактическая прочность бетона на растяжение; єу, єР - фактическая влажностная усадка и предельная растяжимость бетона. При допустимой ширине раскрытия трещин CICRC должно выполняться условие: У Р — aCRC с вероятностью 0,95 и выше. Для комплексной оценки трещиностойкости автор применяет вероятностные методы, что, к сожалению, значительно усложняет расчет. В работе Л.П. Орентлихер и И.П. Новиковой [10] для массовых сравнительных определений трещиностойкости использован коэффициент, учитывающий соотношение деформаций при растяжении и усадке. В другой группе косвенных методов в качестве критерия трещиностойкости предлагаются коэффициенты, учитывающие стесненную усадку в армированном стальной арматурой бетоне. Такой подход предложен в работах А.Е. Шейкина [11] и Р. Пельтье [12]. Также рассматривается влияние минералогического состава цемента на усадку материала [13]. Главное достоинство косвенных методов оценки трещиностоикости заключается в том, что такие методы позволяют получать количественную оценку трещиностоикости.
Методы непосредственной оценки трещиностоикости основаны на визуальном наблюдении трещин. Самый распространенный из таких методов - кольцевой. Суть его заключается в обжатии датчика цементной системой. При этом суммируется влияние усадки, ползучести, предельной растяжимости, модуля упругости, прочности и ряда других факторов. Характеристикой трещиностоикости является время появления первых трещин. Этот метод стандартизован в США и Франции. Метод прост в использовании, но дает только качественную оценку трещиностоикости. В отечественной литературе метод колец проиллюстрирован в работах Г.И. Горчакова, Н.А. Попова, Л.П. Орентлихер [1, 14] и ряда других авторов, а для тампонажного камня - в работе [15]. В работах Г.М. Рущука использовались образцы размером 4x4x16 см с металлическим сердечником. Примерно такой же метод описан в работе [16], где исследовалось влияние химических добавок на процесс трещинообразования в растворе.
С помощью акустической установки, предложенной в [17], можно следить за появлением трещин в материале. Принцип действия установки заключается в том, что мгновенное образование трещин в твердом теле обычно сопровождается звуковым эффектом - треском. Установка позволяет улавливать звук, возникающий при образовании микротрещин в образце, затем эти звуковые сигналы усиливаются, записываются на магнитную ленту и расшифровываются.
Для выявления скрытых дефектов в бетоне - трещин и раковин - используется радиографическая и ультразвуковая дефектоскопия, а также рентгеновские лучи [18].
Косвенные методы и методы непосредственной оценки имеют один важный недостаток: они не позволяют вникнуть в природу процесса тре-щинообразования, не учитывают структуру материала. Поэтому особый интерес представляют методы оценки трещиностоикости, основанные на моделировании структуры бетона. Одно из направлений представляют модели, учитывающие стесненную усадку бетонного конгломерата.
Так, Ф. Блакей рассмотрел упрощенную модель в виде конгломерата, состоящего из одинаковых по свойствам зерен заполнителя и цементного камня, ползучесть которого не учитывалась. Были получены формулы для определения напряжений в заполнителе и цементном камне при растяжении бетона. В силу упрощенной модели совместной работы компонентов бетона, зависимости, полученные автором весьма приблизительны [13]. Исходя из тех же положений, что и в работе [13], в [18] разработана методика экспериментального исследования деформаций и напряжений крупного заполнителя для бетона, нагруженного сжимающей нагрузкой.
Методика изготовления образцов
Испытания проводились в декабре 2002 года в Белорусском национальном техническом университете (г. Минск, Республика Беларусь). Для получения реальной картины деформирования и разрушения цементных материалов, по которой можно судить об их работоспособности, использовалась методика, приведенная в ГОСТ [33]. Применялась специальная установка для проведения равновесных механических испытаний, созданная Ю.В. Зайцевым, Е.А. Гузеевым, В.И. Шевченко, Л.А. Сейлано-вым, С.А. Шейкиным.
Общий вид и конструкция установки приведены на рис. 2.1.1, 2.1.2. Основным элементом установки является упругое стальное кольцо (поз.2). Для измерения и передачи нагрузки на образец (поз.1) предназначен сило-измерительный шток, который представляет собой датчик преобразования с неактивным упругим элементом (поз.9). Измерение деформаций осуществляется с помощью электронного длинномера с механотронным датчиком, предназначенного для контроля малых перемещений (поз.5). Датчик деформаций крепится к верхней грани плиты (поз.4) в вертикальном положении специальным фиксатором. Для перемещения подвижного наконечника датчика деформаций служит равноплечное коромысло (поз.6). Оно приводится действие специальным штоком, один конец которого касается нижней грани образца, другой - одного из плеч коромысла. Опирание образца производится на две опоры. Одна - стандартная установочная сегментная опора (поз.З), предназначена для лучшего контакта образца на опорах в случае непараллельности граней образца. Второй опорой является каток, где использованы подшипники качения (поз.7). Она предназначена для исключения защемления образца на опорах и, следовательно, исключает возможность возникновения распора в образце при приложении нагрузки. Обе опоры жестко крепятся на плите, что позволяет избежать изменения пролета между точками касания образца на опорах во время испытания. Для равномерной передачи нагрузки и исключения контактного смятия в месте восприятия усилия от силоизмерительного штока используется распределительная балочка, выполненная в виде сектора (поз.8).
Автоматическая запись испытания позволяет получать полную диаграмму разрушения материалов координатах сила F - перемещение V — время t.
Перед началом эксперимента образцы необходимо на расстоянии 10 мм от торцов разместить под опоры. В центральной части на верхней и нижней гранях образцов алмазным диском толщиной 1,2 мм производятся надрезы на заданную глубину. Приопорные поверхности и место под распределительную балочку необходимо предварительно зачистить от неровностей. Для исключения попадания передаточного штока в неровности и лучшего его скольжения по поверхности образца к одному из берегов надреза с помощью расплавленного воска крепится небольшое предметное стекло. Перед началом подачи основной нагрузки на образец, его 2 раза загружают силой, равной 5 % от разрушающей для местной притирки контактных поверхностей.
Принципиальная схема получения полностью равновесных диаграмм деформирования (ПРДД) отображена на рис. 2.1.3. Как уже отмечалось, основной особенностью обеспечения равновесного характера разрушения является использование упругого элемента (поз. 1, рис. 2.1.3), который вместе с испытываемым образцом (поз. 2) образует статически неопределимую систему относительного усилия - F, подаваемого испытательной машиной. При этом происходит распределение усилия F между входящими в систему образцом F0 и дополнительным устройством - д пропорционально их жесткости. На упругой стадии деформирования, когда податливость образца неизменна, происходит пропорциональное увеличение сил F0 и Бд. Но после локализации деформаций и старта магистральной трещины происходит соответственно снижение F0 и увеличение а с неизменным обеспечением равновесного состояния системы в целом. Таким образом, исключается спонтанное, катастрофическое продвижение магистральной трещины, что позволяет проводить равновесные механические испытания с фиксацией ниспадающей ветви диаграммы деформирования.
Полные упругие энергозатраты - Wce численно равны площади фигуры OSTC X O. Для построения этой фигуры необходимо из произвольной точки X на ПРДД (место разгрузки образца) продолжить линию разгрузки до пересечения с осью перемещений - V (линия XX"). Затем точку X смещают к оси ординат на величину, равную Vx (линия XX ). Аналогичное построение производится для следующей произвольной точки - Y и т.д. Таким образом, из исходной ПРДД выделяется упругая диаграмма -OSTC X O.
Для охраны недр недопустимо появление трещин в цементном кольце скважины, поскольку это может привести ухудшению экологической обстановки в районе месторождения. Поэтому, в качестве критерия работоспособности тампонажных материалов предлагается использовать удельные энергозатраты на инициирование локальной трещины [65-67]:
Исследование структуры и свойств облегченных тампонажных материалов со вспученными перлитовым и вермикулитовым песком
Известно влияние структуры на свойства цементных материалов. Поэтому были произведены химический и микроструктурный анализы изготовленных образцов с ВВ и ВП. На рис. 3.1.1. представлена микроструктура тампонажного камня с ВП.
Справа вверху рис. 3.1.1 виден срез зерна вспученного перлита. Это говорит о том, что при разрушении камня трещина пересекает наполнитель, имеющий невысокую прочность. Рыхлая структура цементных новообразований, окружающих зерно, по-видимому, также имеет небольшую прочность. Для исследования химического взаимодействия между цементной матрицей и перлитом был сделан химический анализ зерна перлита, цементной матрицы и контактной зоны (рис. 3.1.1). Результат анализа перлита приведен в табл. 3.1.1. Для удобства, в верхней строке приведен химический состав перлита перед замесом, а в нижней - данные, полученные при исследовании камня.
Из таблицы видно, что в процессе гидратации цемента происходит химическое взаимодействие между цементом и перлитом. Содержащийся в перлите активный кремнезем (SiCb) участвует в гидратации цемента. Как известно, пористые наполнители способны всасывать воду затворения и цементное тесто за счет капиллярных сил. Этим объясняется увеличение количества в перлите соединений кальция, которые замещают уходящий из перлита кремнезем и заполняют поры. Эти предположения подтвержда ет анализ цементной матрицы (табл. 3.1.2). Наблюдается увеличение количества кремния (за счет привлечения кремнезема из наполнителя) и уменьшения количества кальция, за счет всасывания его в перлит. Результат анализа контактной зоны приведен в табл. 3.1.3. Состав контактной зоны практически идентичен составу гидратированного цемента. Это свидетельствует о том, что формирования контактной зоны, качественно отличающейся по составу от цемента и перлита, не происходит. Об этом говорит и отсутствие видимых новообразований на стенках перлита, которые бы отличались внешне от цементной матрицы (рис. 3.1.1).
На основании рентгенограмма тампонажного камня с ВП (рис. 3.1.2) получены данные о наличии следующих новообразований: портландит (идентифицировался по пикам с d=(4,93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79; 1,69; 1,48; 1,45; 1,32)-10-10 м), эттрингит (d=(5,64; 3,47; 2,56) 10" м), CSH-гидросиликаты (d=( 10,42; 3,07; 2,80; 2,00; 1,83) -10"IOM). Интенсивность всплесков 2,71...2,98-10-10 м говорит о наличии в камне непрореагировав-шего ПЦТ. Малое количество интенсивных пиков и высокий фон свидетельствуют о присутствии в камне в основном, аморфной фазы. На момент проведения рентгенофазового анализа цементный камень имел возраст 1,5 года. Этим объясняется малое количество эттрингита, который, как известно, разрушается с возрастом и переходит в другие соединения. Этому также способствует низкое содержание в ПЦТ СзА.
На рис. 3.1.3 представлена микроструктура тампонажного камня с вермикулитом. Справа видно зерно вермикулита чешуйчатого строения. Очевидно, что механические и адгезионные свойства зерна вдоль и поперек волокон будут различаться. В данном случае, локальная трещина про шла вдоль волокна, поперечных срезов зерна практически не видно. Цементная матрица имеет более плотное строение, чем в камне с перлитом, однако, хорошего сцепления с зерном вспученного вермикулита не наблюдается. В табл. 3.1.4 приведен химический анализ зерна вспученного вермикулита. Обращает на себя внимание увеличение в наполнителе кальция. Как и в случае с перлитом это происходит за счет адсорбционной и химической активности вермикулита. Это подтверждают и анализы цементной матрицы и контактной зоны, сделанные на том же образце (табл. 3.1.5 и 3.1.6). Наибольшие изменения состава новообразований касаются кальция, уходящего в зерно вермикулита.
Исследование структуры и свойств тампонажного материала с АПСМС
По данным Д.В. Орешкина и Г.А. Белоусова [91 - 94], прочность микросфер при объемном сжатии достигает 20 МПа. Это гораздо больше прочности зерен вспученного перлита и вермикулита (до 4...5 МПа). По этому предполагалось, что с увеличением прочности наполнителя изменится путь локальной трещины. Разрушение будет происходить по цементной матрице или по контактной зоне. При этом возрастут энергозатраты на инициирование и рост локальной трещины за счет увеличения площади разрушения, связанной с большой боковой поверхностью наполнителя.
Была исследована микроструктура поверхности излома тампонажного камня с АПСМС (рис. 4.1.1). На фотографии микроструктуры видно, что вокруг микросфер формируется плотная контактная зона, состоящая из гидросиликатов кальция. Микросфера имеет плотный контакт с новообра зованиями цементного камня (в центре): практически не видно поверхности самой микросферы. Слева внизу на срезе также наблюдается плотная контактная зона переменной толщины от 3 до 10 мкм. Этим объясняются видимые на рисунке микротрещины в цементной матрице, которые под действием нагрузки срастаются в локальную трещину. Проведен химический анализ стенки микросферы, цементной матрицы и контактной зоны цементного камня (табл. 4.1.1 - 4.1.3). Обращает на себя внимание присутствие в микросфере кальция (до 5,5 %), которого не было обнаружено в материале до введения его в раствор. Увеличение количества кальция обнаружено и у перлита, и у вермикулита. Однако микросферы не являются пористым наполнителем, капиллярного всасывания при взаимодействии с цементом не происходит. Вероятно, имеет место непосредственное химическое взаимодействие микросферы, продуктов гидролиза и гидратации цемента, благодаря чему, кальций из цемента мигрирует в стекло стенки микросферы. Такой процесс упрочняет стенку микросферы и увеличивает ее коррозионную стойкость [91 - 93]. Известно например, что в оконное стекло специально вводят кальций для снижения его растворимости.
Химический анализ цементной матрицы, как и ожидалось, показал снижение количества кальция, за счет его привлечения в стенки микросферы и, вероятно, в формирование контактной зоны вокруг микросферы. Химический анализ контактной зоны приведен в табл. 4.1.3. Результат рент-генофазового анализа камня с АПСМС представлен на рис. 4.1.2. Сравнивая его с аналогичными для камня с ВП и ВВ, наблюдаются некоторые отличия. Судя по интенсивности пиков эттрингита (d=(5,64; 3,47; 2,56) 10" м), его количество максимально из всех исследованных образцов, хотя так же незначительно. Возраст всех образцов на момент снятия рентгенограммы составлял 1,5 года.
Результаты экспериментальных исследований свойств облегченного тампонажного камня с АПСМС приведены в табл. 4.1.4. Сопоставляя свойства цементной матрицы тампонажного камня с АПСМС (табл. 4.1.4) с приведенными для ВП и ВВ (табл. 3.1.7), видно, что при одинаковом массовом расходе наполнителя, объемная доля цементной матрицы в камне с АПСМС ниже. Это связано с низкой средней плотностью микросфер. При одинаковом расходе микросфер в растворе больше по объему, чем перлита и вермикулита. Доля матрицы, соответственно - меньше, однако при этом ее плотность выше. Это может быть связано с тем, что поверхность микросфер не имеет открытых пор и не поглощает в свой объем продукты гидролиза и гидратации цемента, поризуя тем самым, структуру матрицы. Этот эффект наглядно представлен на рис. 4.1.2. Анализируя трещиностойкости камня с АПСМС при различных температурах его формирования, привлекает внимание то обстоятельство, что с увеличением расхода микросфер увеличивается разница между трещино-стойкостями тампонажных камней одного состава, но сформированных при различных температурах. При нулевом расходе микросфер (камень на чистом ПЦТ) указанные трещиностойкости отличаются друг от друга примерно в 2 раза, а при расходе 30 % - уже в 2,7...3 раза (табл. 4.1.4). При этом для трещиностойкостей камня с перлитом и вермикулитом (табл. 3.1.7) это отношение сохраняется примерно равным 2 независимо от расхода наполнителя. Это явление связано с влиянием температуры на формирование гидросиликатов кальция, происходящее при взаимодействии активного S1O2 из стенок микросфер и кальция из ПЦТ под действием температуры (75±2) С. Это явление обнаружил Д.В. Орешкин, что согласуется с исследованиями ученых, занимающихся автоклавной и просто температурной технологией твердения цементных материалов [94].
Как показал микроструктурный анализ, разрушение тампонажного камня с АПСМС происходит по цементной матрице между комплексами «АПСМС-контактный слой» - «АПСМС-контактный слой». Именно на ее свойствах отражается, прежде всего, формирование тампонажного камня при различной температуре. С увеличением температуры упрочняется самое слабое звено цементного камня с АПСМС - матрица, от свойств которой в первую очередь будет зависеть трещиностойкость такого материала. Поэтому, при температуре формирования цементного камня (75±2) С с увеличением расхода микросфер трещиностойкость уменьшается не так значительно, как при (22±2) С. Этим объясняются полученные результаты.
В отличие от пористых наполнителей, разрушение цементного камня с АПСМС, как уже установлено, вследствие их высокой прочности при объемном сжатии, происходит по цементной матрице в межкомплексной зоне. Это отразилось в улучшении трещиностойкости и других свойств тампонажного камня, особенно при температуре «горячих» скважин. В таких условиях модифицирование структуры цементной матрицы позволяет ожидать еще большего увеличения трещиностойкости камня по сравнению с модифицированными камнями на основе ВП и ВВ. Вероятно, что при этом изменится характер развития трещины. Она может пройти по контактной зоне или по микросферам. Для выяснения этих предположений проведены исследования микроструктуры модифицированного облегченного тампонажного камня с АПСМС (рис. 4.2.1, 4.2.2). На этих фотографиях видны расколы микросфер и их поверхность, не покрытая новообразованиями. Это подтверждает предположения о том, что упрочнение цементной матрицы за счет введения С-3, изменило характер развития трещины, которая теперь проходит по микросферам и контактной зоне. При этом микротрещинообразование в цементной матрице не наблюдается. Для выяснения того, насколько уплотнение структуры цементного камня за счет снижения В/Ц изменило свойства цементного камня и механизм развития трещины, проведены экспериментальные исследования. Результаты приведены в табл. 4.2.1. Как ожидалось, С-3 заметно улучшил физико-механические свойства цементной матрицы и тампонажного камня с АПСМС. Главную роль в этом играет снижение В/Ц раствора.
