Пути борьбы с контракцией

Контракция – явление уменьшения суммарного объема системы в химических или физических процессах [3]. Следовательно, контракции избежать невозможно, поскольку это явление обязательно будет возникать в процессе гидратации цемента.

На сегодняшний день с контракцией борются двумя основными способами: ее уменьшением, либо ее компенсацией. Остановимся более подробно на каждом из способов.

Основные способы уменьшения контракции:

1. Ввод инертных добавок. При невысоких температурах твердения для уменьшения контракции часть активного вяжущего вещества в тампонажных растворах заменяют инертным материалом (например, микросферой). Однако важно понимать, что в этом случае страдают физико-механические свойства цементного раствора (плотность, подвижность, скорость схватывания) и, в особенности, прочность цементного камня.

2. Контракция значительно уменьшается при добавлении солей CaCl₂ и MgSO₄, однако при этом сильно сокращается время схватывания цементного раствора, вследствие чего способ применим только при невысоких температурах.

3. Ввод активных минеральных добавок. При высоких температурах снижение контракции может быть достигнуто введением активных минеральных добавок, способствующих образованию ксонотлита, например, эквимолярной смеси Ca(OH)₂ и SiO₂ в соотношении примерно 1:1 по массе.

4. Снижение В/Ц значительно улучшает структуру цементного камня, однако при этом страдает ряд параметров тампонажного раствора. В первую очередь ухудшается подвижность цементного раствора, вследствие чего необходимо добавление пластификаторов – веществ, понижающих вязкость растворов. Во-вторых, при уменьшении В/Ц сокращаются сроки схватывания, при этом появляется потребность в реагентах-замедлителях твердения. Наконец, при пониженном В/Ц увеличивается плотность цементного раствора, что создает риск гидроразрыва пласта.

Основные способы компенсации контракции:

1. Компенсация контракции за счет фильтрации пластовых вод. В случае, когда интервал цементирования находится в открытом стволе скважины напротив проницаемого водоносного горизонта, дефицит воды будет компенсироваться путем подпитки пластовых вод. Этот способ самый простой, но редко применяемый из-за своей зависимости от внешних условий. Цементирование скважин не всегда проходит в интервалах открытого ствола. К тому же, в водоносных пластах могут содержаться агрессивные флюиды, фильтрация которых в цементный камень пагубно скажется на его качестве.

2. Компенсация за счет применения технологии расширяющихся цементов. Одним из способов компенсировать эффект контракции является применение расширяющихся тампонажных материалов. Главной проблемой создания расширяющихся цементов является создание и регулирование их внутренних напряжений. Для того, чтобы собственные напряжения привели к значительному расширению без ухудшения свойств цементного камня, последний должен быть способен к своеобразной пластической деформации, при которой нарушенные смещением контакты между элементами структуры восстанавливались бы в ходе последующего твердения. По мере гидратации исходного вяжущего вещества количество и прочность структурных связей возрастают и одновременно уменьшают способность к подобной пластической деформации. [10]

Следовательно, если структура цементного камня имеет большую прочность и малую пластичность, она способна без разрушения воспринимать лишь незначительное расширение, но должна оказывать при этом на окружающую среду большое давление. Напротив, малопрочная и пластичная структура цементного камня (на ранней стадии твердения) может не только воспринимать значительно бо́льшую величину расширения, но и способна к самозалечиванию микроразрывов, если они возникают при расширении. Из этого следует, что значительное расширение при небольшом давлении расширения может быть получено на определенной стадии твердения цементного камня.

Существуют два основных способа расширения цементного камня. Первый способ заключается во вводе веществ (т.н. газовыделяющих добавок), выделяющих при химических реакциях газообразные продукты. Выделение некоторого количества газа (а также повышение температуры) вызывает расширение пузырьков газа и возникновение собственных напряжений.

Согласно другому способу вводят вещества (расширяющие добавки), создающие при химической реакции кристаллические продукты. Вследствие роста кристаллов этих веществ в порах цементного камня появляются собственные напряжения, созданные кристаллизационным давлением. На ранней стадии твердения цементному камню присуща открытая пористость, поэтому гидравлическое давление не препятствует деформации среды и существенно не влияет на расширение. Собственные напряжения в этом случае регулируются кинетикой развития и величиной кристаллизационного давления и определяются выбором расширяющей добавки применительно к свойствам цемента и условиям твердения. [10] На сегодняшний момент существует большое количество газовыделяющих и расширяющих добавок для самых разнообразных забойных условий, вследствие чего можно утверждать, что технология применения расширяющихся цементов – один из самых универсальных способов борьбы с контракцией.