Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Высококонцентрированные дисперсные системы имеют большое рас­пространение в природе и народном хозяйстве. В отраслях промышлен­ности, связанных с разведкой и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, широкое применение находят системы цемент — вода, от рео­логических показателей которых зависит успешное проведение целого ря­дя технологических операций, определяющих надежность и. качество строительства скважин. Под реологическими характеристиками понима­ются динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость, которые положены в основу гидравлических расчетов течения цементных суспен­зий, подчиняющихся модели Шведова — Бингама. Однако реологические показатели как в теоретическом, так и в экспериментальном плане изу­чены недостаточно. В основном это связано с большой трудоемкостью и длительностью эксперимента, а также с разнообразием составов и физи­ко-химической нестабильностью цементных суспензий. Современное со­стояние вопроса, а также практические приложения результатов доста­точно полно освещены в работе [64]. В настоящем разделе излагаются новые исследования [51].

Цель исследований заключалась в экспериментальном изучении рео­логических свойств дисперсной системы цемент — вода в зависимости от температуры. Объемная концентрация твердой фазы, представляющая собой отношение объема цемента к объему суспензии, принималась рав­ной 0,39 (водоцементный фактор 0,5), поскольку системы такой концен­трации обычно применяют на практике. Для приготовления суспензии плотностью 1820 кг/м3 использовался цемент марки 600 (тампонажный цемент) Здолбуновского завода. Химический состав цемента, %: СаО 61, SiC>2 23,8, АЬОз 5,2, РегОз 3,7, SO3 2,3, MgO 0,9, К2О 0,43, ЫагО 0,26, потери при прокаливании 2,4. Химический состав определен экспериментально. Удельная поверхность цементного порошка, определенная способом воз­духопроницаемости, составляла 270 м2/кг. Плотность цемента 3150 кг/м3.

Перемешивание суспензии производили при 20°С лопастной мешалкой со скоростью 6 с-1 в течение 1800 с. После приготовления систему залива­ли в измерительный стакан, где термостатировали в течение 300 с с пере­мешиванием 2 с-1. Использовали ротационный вискозиметр ВСН-3. С целью исключения расслоения системы продолжительность одного опыта ограничили периодом времени около 60 с. Для получения каждой точки готовилась свежая порция суспензии.

Статистической обработкой экспериментальных данных, которые пред­ставлены в работе [51], получены расчетные соотношения для определе­ния средних значений пластической вязкости г] и динамического напря­жения сдвига то системы цемент — вода в зависимости от вязкости воды rj:

Л = 0,0475+47,5f)-exp(2,953—1,44-104т0; (5.1)

т0 = (0,151—637if)/(0,085—25л). (5.2)

Характер изменения реологических показателей своеобразен: по мере снижения вязкости воды отмечается тенденция к уменьшению вязкости и по­вышению динамического напряжения сдвига дисперсной системы, которая вначале подчиняется линейному закону. Однако при вязкости воды, соответ­ствующей 45°С, скорость изменения реологических показателей резко, а затем и лавинообразно увеличивается. Учитывая лиофильность и высо­кую степень дисперсности цементных частиц, естественно принять, что отмеченная выше особенность изменения реологических показателей во многом определяется характером взаимодействия на разделе фаз, и в частности толщиной граничного слоя воды. В этой связи представляет интерес вычисление толщины слоя воды с особой структурой по методике, изложенной в работе [Кулезнев В. Н., 1980 г.]. В работе [51] представ­лены результаты теоретического расчета вязкости дисперсной системы, полученные из уравнения Муни (см. гл. 1):

ln(ti/Tf) = feq>/0 — S<p), (5.3)

где ф — концентрация твердой фазы в дисперсной системе; k — коэффи­циент Эйнштейна, равный 2,5 для частиц сферической формы; S — коэф­фициент, учитывающий структуру цементных частиц.

Коэффициент S, который можно представить в виде отношения S = = 1 /ф, был определен экспериментально. Здесь <р — реальный коэффици­ент предельной упаковки. Численное значение ф было определено по объе­му пустот между частицами, который остается после встряхивания сухого цемента. Методика изложена в гл. 1. Коэффициент ср составил 0,53, а соответствующее значение S = 1,87.

Выражение (5.3) рекомендовано для дисперсных систем, в которых частицы твердой фазы не взаимодействуют друг с другом. Для проверки справедливости (5.3) экспериментально изучены реологические свойства дисперсной системы цемент — этиловый спирт с концентрацией твердой фазы 0,39, соответствующей концентрации цемент — вода. Из представ­ленных в работе [51] результатов следует удовлетворительное совпаде­ние расчетных и экспериментальных данных.

Толщину граничного слоя воды А на частице радиуса г можно опреде­лить из выражения [Кулезнев В. Н., 1980 г.]

h/r — (фо/ф)1/3—1, (5.4)

где фо — кажущаяся концентрация частиц цемента в системе, различие которой с фактической концентрацией ф принимаем зависящим от толщи­ны граничных слоев воды.

Преобразуя выражение (5.3) относительно ф и подставляя в правую часть равенства экспериментальные результаты вязкости суспензии, полу­чаем численные значения фо. В интервале 0—20°С, который не был иссле­дован экспериментально, вязкость суспензии определяли экстраполирова­нием формулы (5.1).

Полученные из выражения (5.4) результаты представлены в работе [51], откуда следует, что отношение h/r по мере повышения темпера­туры увеличивается до максимального значения, а затем резко падает до нуля. Такой характер изменения толщины граничного слоя воды мож­но объяснить следующим образом. Во-первых, хорошо известно, что при пониженных температурах взаимодействие цемента с водой (гидрата­ция) проявляется достаточно слабо. Другими словами, поверхность це­ментных зерен при низких температурах можно представить как менее гидрофильную. Соответственно этому граничный слой воды имеет мень­шую толщину. По мере повышения температуры взаимодействие цемента с водой усиливается. Однако параллельно протекает процесс термическо­го разрушения граничных слоев воды, который приводит к постепенному уменьшению скорости роста h/r и завершается вблизи температуры 65°С. Этот результат хорошо согласуется с данными обзора [Чураев Н. В., 1983 г.], в котором также отмечается завершение теплового разрушения особой структуры воды в тонких порах примерно при 65°С.

Используя полученные результаты, можно оценить абсолютное значе­ние толщины граничных слоев воды с особой структурой на поверхности цементных зерен. Заметим, что ответственными за отличие вязкости це­ментной суспензии в ранние сроки гидратации от вязкости системы це­мент — этиловый спирт [51] в основном являются мелкие частицы с ра­диусом 0,05—0,5 мкм. Для цементных частиц такого размера максималь-

uoe значение толщины граничных слоев воды будет находиться в преде­лах 13—130 А, что соответствует значениям для гидрофильных, хорошо смачиваемых поверхностей. ■

В работе [51] представлена также величина (сро/0,39—1), значения ко­торой указывают на небольшое превышение кажущегося объема твердой фазы над фактическим. Несмотря на это, наличие граничных слоев воды оказывает существенное влияние на реологические показатели суспензии цемент — вода.

Формулой (5.2) представлены данные измерения динамического напряжения сдвига дисперсной системы цемент — вода. Результаты формулы (5.2) показывают, что по мере снижения вязкости воды (увеличения температуры) значение то закономерно возрастает, что связано с усилением молекулярного взаимодействия частиц цемента между собой. Напротив, при увеличении вязкости воды (сни­жении температуры) то монотонно снижается, что объясняется уменьше­нием степени взаимодействия цементных частиц. Характер изменения ди­намического напряжения сдвига системы цемент — этиловый спирт ясно указывает на отсутствие взаимодействия частиц цемента между собой [51]. При этом численные значения то удовлетворительно соответствуют зна­чениям динамического напряжения сдвига системы цемент — вода при по­ниженных температурах, когда молекулярное взаимодействие частиц цемента постепенно ослабляется.

На практике движение цементных суспензий происходит при различ­ных температурах, поэтому для повышения точности и достоверности расчетов необходимы сведения о температурной зависимости реологи­ческих показателей. Статистической обработкой экспериментальных дан­ных, отражаемых формулами (5.1) и (5.2), получены соотношения для определения средних значений пластической вязкости и динамического напряжения сдвига

л = 0,47—1,27- 10“3Г; (5.5)

то == 0,35Г—75,3. (5.6)

Зависимости (5.5) и (5.6) имеют простую форму и будут полезны при выполнении практических расчетов.

Добавка к цементным растворам (цемент Стерлитамакского завода) при температуре 20—25°С неорганических солей А1С1з и СаСЬ вызывает рост пластической вязкости т) и динамического напряжения сдвига т<>. При этом с увеличением концентрации ускорителей значения rj и то все более возрастают. Такая же картина отмечается при введении в жидкость затво­рения соли NaCl, но пока концентрация ее в растворе не достигнет опре­деленного значения, зависящего от температуры. Например, при темпера­туре 20°С динамическое напряжение сдвига увеличивается до концентра­ции NaCl, равной 4%. Пластическая вязкость принимает максимальное значение при концентрации NaCl 7%. В дальнейшем значения т) и то сни­жаются. Экспериментально определено, что предельные концентрации хлористого натрия, соответствующие максимальным величинам реологи-

ческих показателей, возрастают параллельно снижению температуры це­ментного раствора. Например, при температуре 5°С увеличение концент­рации NaCl до 8% приводит к росту динамического напряжения сдвига и пластической вязкости [Ильин Г. А., 1972 г.].

В связи с вышеизложенным представляют интерес данные о влиянии ускорителей на сроки схватывания цементных растворов, приготовленных на цементе того же Стерлитамакского завода [Горский А. Т., 1968 г.]. Результаты эксперимента сведены в табл. 5.1. Отсюда следует, что с по­вышением валентности катиона активность ускорителя возрастает. Так, например, если сравнить сроки схватывания цементных растворов, затво­ренных на водных растворах А1С1з и СаСЬ, то они различаются в несколь­ко раз. Другими словами, для цементных растворов справедливо правило Шульца — Гарди. Из данных табл. 5.1 можно сделать вывод, что введение в воду затворения NaCl оказывает самое слабое влияние на сроки схваты­вания.

Известно, что схватывание наступает в том случае, когда в объеме цементного раствора образуется определенное количество гидратных но­вообразований коллоидного размера. Поэтому введение ускорителей уси­ливает образование тонкодисперсной фазы, которая обладает весьма раз­витой поверхностью. Следствием этого должно быть возрастание динами­ческого напряжения сдвига, так как коллоидная фаза обладает молеку­лярными силами сцепления. Параллельно с этим будет возрастать пласти­ческая вязкость, поскольку на поверхности твердой фазы коллоидного размера образуются граничные слои воды с особыми свойствами, которые приводят к кажущемуся повышению концентрации твердой фазы. Из уравнения Муни (5.3) следует, что для цементных растворов уже неболь­шое повышение <р приводит к резкому возрастанию вязкости. Объясняет­ся это тем, что цементный раствор имеет высокую концентрацию твер­дой фазы, небольшое изменение которой в существенной степени изменя­ет значение показательной функции в уравнении Муни. В этом нетрудно
убедиться путем подстановки соответствующих исходных данных в урав нение (5.3).

Однако на характер изменения реологических показателей, видимо, оказывают влияние как минимум два конкурирующих фактора. С одной стороны, с повышением концентрации ускорителя возрастает количество коллоидной фракции, которая определяет характер увеличения динами­ческого напряжения сдвига и пластической вязкости. С другой стороны, с повышением концентрации соли происходит своеобразное влияние раст­воренных в воде ионов на заряд двойного электрического слоя и потен­циал поверхности цемента. Поскольку молекула воды является полярной, то падение потенциала поверхности твердой фазы приведет также к сни­жению толщины граничного слоя. Другими словами, должно произойти снижение степени молекулярного взаимодействия и толщины граничного слоя воды. Поэтому второй фактор действует в направлении снижения динамического напряжения сдвига. Результатом совместного действия обоих факторов может быть как снижение, так и возрастание реологи­ческих показателей.

В целом вопрос влияния ускорителей на реологические показатели цементного раствора является значительно более сложным. Здесь необхо­димо привлекать специальные разделы физической химии, что выходит за рамки настоящей книги.

Комментарии запрещены.