Теоретическое обоснование контракции

Контракция – уменьшение объема системы при переходе воды в прочносвязанное состояние или переход в кристаллическую решетку продуктов твердения. [2]

В результате контракции при гидратации портландцементов и других минеральных вяжущих веществ сумма истинных объемов конечных продуктов химических процессов меньше суммы объемов исходных продуктов.[3]

Например, при гидратации трехкальциевого алюмината C₃A с образованием гидроалюмината кальция по уравнению

вода вступает в химическую реакцию и, переходя в состав кристаллической решетки продуктов твердения, уменьшает свой объем примерно на 25 %. В результате чего объем продуктов твердения становится меньше. Подобный эффект потери объема наблюдается и при взаимодействии с водой других минералов цемента [2]:

По природе процессов контракции ее разделяют на молекулярную и физическую.

Причиной молекулярной контракции является то, что вода, входя в состав продуктов твердения, занимает в их кристаллической структуре меньший объем, чем в обычном состоянии, а расстояние между твердыми частицами в составе раствора меняется незначительно. Следовательно, даже если удельный объем твердой фазы увеличивается, это увеличение неспособно компенсировать изменение объема воды в процессе твердения.

Причиной физической контракции являются реакции, связанные с межмолекулярным взаимодействием в жидкой фазе. В процессах адсорбции, сольватации и др. также наблюдаются явления контракции. Во время твердения суспензий вяжущих веществ это явление может быть существенно больше, если у новообразований наблюдается большая удельная поверхность. Обычно это происходит в условиях невысоких температур. При повышенных температурных условиях значения контракции снижаются вследствие меньшей дисперсности продуктов гидратации.[3]

После полной гидратации цементного порошка общее значение контракции составляет примерно (5-7)∙10^-5 м³/кг. Контракция прямо пропорциональна повышению В/Ц в цементном растворе, вследствие чего цементы с повышенным содержанием алюминатных и алюмоферритных минералов подвержены большему значению контракции. Кинетика контракции соответствует кинетике гидратации.

Контракция снижает внешней объем цементной суспензии только в начальный период, когда в ней еще не образовалась достаточно прочная структура. Далее контракция уже не способна непосредственно влиять на объемные изменения. Результатом этого явления становится частичное обезвоживание пор цементного камня, если окружающая среда не содержит жидкости.

Однако контракция наблюдается не во всех явлениях фазообразования. Есть процессы, в которых суммарный объем конечных продуктов превосходит суммарный объем первоначальных продуктов, т.е. наблюдается явление отрицательной контракции [3]. Типичный случай представляет твердение известково-кремнеземистого цемента при высокой температуре, когда образуется ксонотлит. В реакции образования ксонотлита из Ca(OH)₂ и SiO₂ происходит не присоединение, а выделение воды, чем и объясняется «отрицательная контракция».

«Отрицательная контракция» также наблюдается при твердении цементных смесей, затворенных растворами насыщенных солей. В результате расходования воды на гидратацию поровая жидкость перенасыщается по отношению к соли и происходит выкристаллизация последней. При этом если при растворении соли наблюдалась контракция, то при кристаллизации из раствора, естественно, наблюдается соответствующее увеличение объема, т. е. «отрицательная контракция».

Явление контракции может по-разному влиять на поровое состояние цементного камня. Контракция может привести к таким отрицательным последствиям, как: проникновение пластовых флюидов из стенок скважины в результате появления вакуума в порах цементного кольца, обезвоживание остатков глинистого раствора на металле труб и непроницаемых породах и др.

При этом возможны следующие типичные ситуации:

1. Тампонажный раствор, находясь в скважине, контактирует с необсаженным водонасыщенным проницаемым пластом с одной стороны и обсадными трубами с другой. В этом случае явление контракции не так опасно ввиду того, что недостаток воды, возникающий при переходе ее в связанное состояние, будет компенсироваться путем подпитки (фильтрации) пластовой водой. Однако важно помнить, что если в интервале открытого ствола будут находиться пласты, содержащие агрессивные флюиды, они в процессе схватывания, путем фильтрации, также попадут внутрь цементного кольца, и агрессивный флюид будет разрушать цементный камень изнутри.

2. Тампонажный раствор находится в закрытом межколонном пространстве. В этом случае контракция представляет собой наибольшую угрозу для цементного камня, т.к. дефицит воды, образующийся при этом явлении, нечем компенсировать. В поровом пространстве цементного кольца будет создаваться вакуум и, как следствие, будут образовываться микротрещины.

В процессе твердения цементного камня важно состояние влажности окружающей среды. При неограниченном количестве воды будет наблюдаться небольшое увеличение внешнего объема цементного камня. Такое явление называют набуханием цементного камня. Дефицит воды в поровом пространстве цементного камня приводит к уменьшению его объема, называемому усадкой. Последняя связана с капиллярными явлениями, а также сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды. Изменения внешнего объема цементного кольца регулируются минералогическим составом клинкера и содержания добавок. В отличие от контракции объемные изменения цементного камня больше связаны с явлениями физического, чем химического характера.[10]

С повышением температуры твердения способность цементного камня к усадке и набуханию уменьшается. Существуют цементные растворы, твердение которых сопровождается усадкой даже при повышенных температурах.

Таким образом, контракция, являясь причиной объемной усадки – довольно опасное явление в процессах заканчивания скважин, с которым необходимо бороться.