Классификация и составы цементов

Существует много различных классификаций, но с точки зрения восприятия человека цементы в первую очередь целесообразнее подразделять по старинке на:

- цементы для холодных скважин, с температурой до 20 °С;

- цементы для нормальных скважин, с температурой от 20 до 70 °С;

- цементы для горячих скважин, с температурой более 70 °С.

Здесь холодной является температура меньше нормальных условий, а горячей считается температура конденсированного вещества, нетерпимо горячая для руки обычного человека, то есть 70 °С и более.

Эта температурная классификация основана на общеизвестном химическом законе, по которому скорость химической реакции при изменении температуры на 10 °С изменяется в соответствующую сторону приблизительно в 2 раза. Например, если температуру изменить с 20 °С до 70 °С, то скорость химической реакции увеличится пять раз по два, то есть в 64 раза! Например, неслучайно в холодном чае сахар без перемешивания ложкой оседает на дно стакана и не растворяется, а в горячем чае сахар растворяется без перемешивания.

С этой точки зрения становится очевидным, почему при освоении технологий цементирования не обошлось без нежданчиков (сюрпризов). Цементные растворы, особенно при цементировании глубоких скважин, иногда превращались в цементный камень раньше, чем эти растворы удавалось закачать в затрубное пространство ОК. Буровики получали так называемого «козла». Поэтому по ПБНГП время закачивания цемента в затрубное пространство ОК должно быть не более 0,6 от времени начала схватывания соответствующего цементного раствора. То есть, для цементирования скважин с разными температурными диапазонами применяют цементы с различными химическими рецептурами, у которых из-за этого разные сроки схватывания, то есть сроки окаменевания.

Для цементирования холодных скважин обычно применяют глинозёмистые, гипсоглинозёмистые цементы или портландцементы. Для цементирования нормальных скважин обычно применяют портландцементы. А для горячих скважин обычно применяют портландцементы или шлакопесчаные смеси ШПС.

Глиноземистый цемент получают путём тонкого измельчения (не более 0,08 мм в диаметре) обожженной до спекания или сплавления богатой глинозёмом сырьевой смеси. В качестве исходных материалов для получения глинозёмистых цементов используют горные породы с высоким содержанием глинозёма, а так же известняк или известь. Химический состав такого цемента [6] включает SiO₂ (5 ÷ 10%), Al₂O₃ (35 ÷ 50 %), CaO (35 ÷ 45 %), и Fe₂О₃ (5 ÷ 15%).

Основной составной частью глинозёмистого цемента является однокальциевый алюминат (СаОАl₂О₃), который при соединении с водой образует цемент, имеющий высокую стойкость в морских, углекислых и других водах.

При твердении глинозёмистого цемента выделяется большое количество тепла, что даёт возможность производить работы по цементированию в зимнее время или в зонах ММП.

Нарастание прочности у глинозёмистого цемента происходит быстрее, чем у портландцемента. Для ещё большего ускорения срока схватывания, особенно в условиях наличия мёрзлых пород, в состав цемента добавляется гипс.

Портландцемент [6] наиболее популярен во всем мире. Своё название он будто бы получил от острова Портланда, находящегося на территории Великобритании, поскольку каменные породы с этого острова имеют идентичный цвет.

Основу портландцемента составляет так называемый клинкер, который является продуктом обжига (метод спекания – 1200÷1300°С, метод плавления – 1400°С) известковых (до 75%) и глинистых (до 25%) пород. Кроме того в состав портландцемента вводят гипс для ускорения сроков схватывания.

После этого полученный продукт перемалывается в специальных цементных мельницах до размеров зёрен не более 0,08 мм в диаметре.

Основными минералами клинкера [8] являются алит 3СаОSiO₂ (сокращенная запись ‒ C3S); беллит ‒ б-модификация 2СаО*SiO₂ (сокращенная запись ‒ C2S); трехкальциевый алюминат – 3СаО*Al₂О₃ (сокращенная запись ‒ С3А) и алюмоферрит кальция переменного состава от 8СаО*ЗА1₂0₃*Fе₂0₃ до феррита кальция 2CaO*Fe₂0₃ (сокращенная запись ‒ C8A3F ‒ C2F).

Портландцементы по ГОСТ 1581-96 производятся для:

- низких и нормальных температур (15 ÷ 50) °С;

- умеренных температур (51 ÷ 100) °С;

- повышенных температур (101 ÷ 150) °С.

Шлакопесчаные смеси ШПС получают из смеси пудры доменного шлака и кварцевого песка.

Доменный шлак [9] ‒ это неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция. Он получается вместе со сталью (чугуном) в доменной печи в виде расплава и затем охлаждается. При быстром охлаждении водой, паром или воздухом образуется гранулированный шлак, при медленном ‒ комовый. Высокую гидравлическую активность доменный шлак приобретает при очень быстром охлаждении или грануляции водой.

Свойства шлаковых цементов существенно отличаются от свойств портландцемента. При нормальных условиях шлаковые цементы очень медленно твердеют, однако с повышением температуры до 100 °С и выше, процессы схватывания и твердения интенсифицируются, и из шлакопесчаного цемента образуются плотные и прочные камни, очень стойкие в агрессивных средах. Остальные технические свойства (изменение объема, водопотребность, подвижность и др.) близки к свойствам портландцемента.