Исследование тампонажного цемента с высокой коррозионной стойкостью для любых агрессивных сред, страница 8

Можно высказать предположение, что механизм воздействия пластовых вод на цементный камень состоит в следующим.

Пластовые воды проникают в цементный камень вскоре после его образования, когда он имеет еще высокую проницаемость. Первым результатом воздействия пластовых вод является резкое снижение проницаемости цементного камня. Проницаемость снижается, по-видимому, в основном в результате закупоривания пор и капилляров цементного камня продуктами его химического взаимодействия с содержащимися в пластовой воде солями, прежде всего с солями магния. Гидроксид магния, образующийся в результате обменной реакции с гидрооксидом кальция кольматирует поровое пространство цементного камня.

Однако снижение проницаемости вызывается не только кольматирующим действием гидроксида магния хотя при значительном содержании иона магния в воде оно преобладает но и присутствующими в воде хлоридами щелочных металлов и кальция. Природа этого явления не столь очевидна оно может быть связано с изменением гелеобразных продуктов гидратации цемента под действием раствора электролитов. Если принять это предположение то можно объяснить и меньшее уплотняющее действие раствора двух солей по сравнению с раствором одной соли в соответствии с известным в коллоидной химии правилом антагонизма ионов. Ускорение твердения цементного камня при действии пластовых вод в раннем возрасте также может быть объяснено с этой точки зрения. Помимо снижения проницаемости наблюдается изменение в характере объемных деформаций цементного камня. В начальный период действия пластовых вод происходит заметная усадка цементного камня, которая сменяется затем интенсивным расширением. Усадка связана с присутствием в пластовой воде солей магния, а последующее расширение обусловлено, по-видимому, несколькими явлениями, зависящими от состава цемента и состава солевого раствора.

В пластовых водах, в которых на ряду с небольшим количеством магния содержаться сульфиты, первоначальной усадки не наблюдается. Интенсивность расширения зависит от минералогического состава клинкера: при повышенном содержании трехкальциевого алюмината оно наблюдается в большей степени. Это свидетельствует о значительной роли сульфатов в расширении, которое вероятно, и компенсирует первоначальную усадку. Хлориды натрия и кальция незначительно влияют на величину расширения. Максимальное расширение вызывают раствор хлорида магния и содержащие его пластовые воды. Расширение связано, по-видимому, с отложением в цементном камне коллоидного гидроксида магния и вызывается осмотическими силами.

Между пластовыми водами и соединениями цементного камня происходит сложное химическое взаимодействие. Весьма существенным процессом является выщелачивание оксида кальция.

В пластовых водах, типа девонской большая часть удаленного из цементного камня оксида кальция переходит в раствор путем обменной реакции с солями магния. При этом сначала происходит реакция со свободным гидрооксидом кальция во всей массе образца и лишь, затем начинается разложение других соединений. Это подтверждается данными, полученными при анализе образцов, хранившихся в скважине, в девонской пластовой воде.

Внешний слой образца, хранившегося в девонской скважине, потерял около 20г СаО на 100г. исходного цемента, внутренние слои образца – 9г СаО на 100г. цемента. Из этого количества путем объемной реакции с солями магния перешло в раствор в наружном слое около 9г СаО, в середине образца – 6г СаО.

Таким образом, в результате обмена с солями магния, из наружного слоя выделялось около половины потерянного СаО, в середине образца – две трети. В наружном слое образца процесс поглощения оксида магния приостанавливается после того, как в цементном камне отложилось 6,5г МgО на 100г. исходного цемента, это эквивалентно 9,1г СаО. При полной гидратации цемента, из которого были изготовлены образцы, должно было выделится 13-14г. СаО на 100г. исходного цемента. Высокая плотность образца приводит к тому, что продвижение процесса в глубь образца происходит только после израсходования в основной реакционной емкости наружного слоя. Если пластовая вода содержит сероводород, то отложения гидрокситда магния не происходит.