О поровом давлении, проницаемости и тампонирующей способности цементных растворов

Механизм формирования порового давления в суспензиях был рассмотрен ранее. Остановимся поэтому только на специфических особенностях, присущих тампонажным растворам.

В результате реакций гидратации цемента в неподвижном тампонажном растворе возникает коагуляционная тиксотропная структура. По мере роста прочности этой структуры увеличиваются силы связи ее со стенками вмещающего сосуда и силы трения оседающей структуры о стенки. Оба эти фактора способствуют зависанию структуры на стенках сосуда, т. е. выходу твердой фазы из гидравлически взвешенного состояния, и уменьшению скорости оседания. Одновременно с ростом прочности структуры во времени уменьшается ее проницаемость, сокращаются размеры поровых каналов, возрастает гидравлическое сопротивление последних. Поскольку при оседании твердые частицы вытесняют воду, которая должна фильтроваться вверх по поровым каналам структуры, уменьшение размера этих каналов и проницаемости способствует снижению скорости фильтрации воды и скорости оседания структуры, а следовательно, зависанию на стенках сосуда и ускорению выхода твердой фазы из гидравлически взвешенного состояния, т. е. более быстрому снижению порового давления. Очевидно, под воздействием названных факторов поровое давление в тампонажном растворе, помещенном в сосуд с непроницаемыми стенками и днищем, со временем должно снизиться до давления столба дисперсионной среды.

Ho процесс гидратации сопровождается контракцией, интенсифицирующейся после схватывания тампонажного раствора. В результате контракции и увеличения пористости цементного теста и камня происходит дальнейшее уменьшение порового давления. Если тампонажный раствор находится в сосуде с непроницаемыми стенками и днищем, поровое давление в нем после схватывания может снизиться под влиянием контракции ниже атмосферного.

Измерить поровое давление в лабораторных условиях можно с помощью установки, схема которой показана на рис. 59. Импульсную трубку 5 частично заполняют фильтратом исследуемого тампонажного раствора, а цилиндр 2 — водой. Закрыв вентиль 4, пневмонасосом 7 повышают давление в трубке 5 настолько, чтобы у вентиля 4 оно было равно начальному давлению столба тампонажного раствора высотой hц.р. Затем через кран 1 закачивают в цилиндр 2 испытуемый тампонажный раствор 3, полностью вытесняя воду через верхний слив 11. Сразу же после заполнения цилиндра 2 тампонажным раствором открывают вентиль 4 и следят за тем, чтобы уровень фильтрата в трубке 5 оставался неизменным. По мере снижения порового давления в тампонажном растворе уровень в трубке 5 стремится опуститься. Чтобы этого не произошло, игольчатым вентилем регулируют давление в трубке 5 так, чтобы уровень оставался во времени неподвижным. По показанию образцового манометра 6, известному положению уровня и плотности фильтрата легко вычислить давление у вентиля 4, которое равно поровому давлению в тампонажном растворе на глубине hц.р. Характер изменения относительного

порового давления в тампонажных растворах показан на рис. 60. Все реангенты, которые интенсифицируют процессы структурообразования и схватывания в тампонажных растворах, способствуют также увеличению скорости снижения порового давления.

Важнейшими показателями, характеризующими способность тампонажного раствора в покое изолировать проницаемые пласты друг от друга, являются проницаемость и суффозионная стойкость его. Определение проницаемости тампонажного раствора в ранний период покоя представляет большие трудности и возможно лишь при весьма малых перепадах давления. Предположим, что прочность тиксотропной структуры во всех точках поперечного сечения столба раствора одинакова. Тогда: для того, чтобы эта структура не могла быть разрушена, а раствор не был выброшен из сосуда фильтрующейся жидкостью, сила давления этой жидкости на глубине hц.р. (см. рис. 59) должна быть меньше веса Gт.ф каркаса структуры в воде и силы сцепления его со стенками сосуда

где dц.р — диаметр сосуда; рж — давление фильтрующейся жидкости на глубине hц.р; Оц.р — статическое напряжение сдвига тампонажного раствора в рассматриваемый момент времени.

Разделим обе части этого неравенства на начальное давление столба тампонажного раствора рц.pghц.р:

Из этой формулы следует, что, например, на портландцементный раствор с плотностью рц.р=1800 кг/м3 (рт.с=3200 кг/м3; n=0,5; рж=1000 кг/м3), налитый в сосуд диаметром 2 см, на глубине hц.р можно создать давление рж, равное первоначальному давлению столба тампонажного раствора (рж=рц.рghк.р). только после того, как прочность структуры превысит Oц.р.>48 Па. При температуре 20°С для такого упрочнения структуры без ввода ускорителя схватывания требуется примерно 2 ч. В более ранний период перепад давлений рж должен быть гораздо меньшим.

Для приближенной оценки начальной проницаемости тампонажного теста сосуд 18 и трубку 14 (см. рис. 59) перед началом опыта заполняют водой, на которой готовят тампонажный раствор; сосуд 18 устанавливают с соблюдением условия

где рж — плотность воды.

Сразу же после заполнения цилиндра 2 тампонажным раствором открывают вентиль 12 и следят за поступлением воды в мерный цилиндр 19. Измерив среднюю объемную скорость поступления воды в мерный цилиндр 19, можно по формуле (1.7) вычислить проницаемость раствора, положив в ней

Из-за малого значения разности (hн—0,5 hц.р) ошибка в определении проницаемости, обусловленная погрешностью измерения р1—р2 и скорости фильтрации, может оказаться весьма большой. Вероятно также, что при измерении проницаемости тампонажного раствора в ранний период покоя фильтрующаяся жидкость может существенно изменить структуру поровых каналов, способствовать увеличению проницаемости, а в ряде случаев — развитию суффозии. По этим причинам проницаемость тампонажных растворов на ранней стадии структурообразования не измеряют.

Под суффозией понимают процесс разрушения каркаса пористого тела (в нашем случае — скелета тампонажного раствора и камня) фильтрующейся через него жидкостью. Суффозия (размыв) возможна в том случае, если касательные напряжения на границе контакта фильтрующейся жидкости со стенками поровых каналов окажутся больше прочности этих стенок.

Тампонажный раствор является весьма неоднородной системой; прочность структуры и размеры поровых каналов в разных точках поперечного сечения столба раствора могут быть существенно различными. Поэтому суффозия может происходить даже в том случае, если статическое напряжение сдвига раствора, измеренное существующими методами, будет удовлетворять условию (7.3).

Для сравнительной оценки способности разных тампонажных растворов препятствовать возникновению фильтрации воды через них и суффозии можно воспользоваться таким способом. Сосуд 18 (см. рис. 59) устанавливают с соблюдением условия (7.4), а сосуд 17 — с соблюдением соотношения h2/h1=0,1. Сосуды 17, 18 и трубку 14 заполняют водой, вентили 4, 12 и 13 закрывают. В импульсной трубке 5 пневмонасосом 7 создают избыточное давление, необходимое для измерения порового давления в тампонажном растворе. Затем воду из цилиндра 2 вытесняют полностью тампонажным раствором, закрывают кран 1 и, открывая немедленно вентиль 4, измеряют поровое давление. Как только поровое давление сравняется с давлением в трубке 14 у вентиля 12, открывают вентили 12 и 13 и следят за поступлением воды из сосуда 17 в мерный цилиндр 15. Если проницаемость тампонажного раствора очень велика или под влиянием разности давлений в фильтрах у вентилей 12 и 13 в растворе образуются суффозионные каналы, вода из сосуда 18 через цементное тесто будет перетекать в сосуд 17 и стекать в мерный цилиндр. Опыт продолжают до тех пор, пока не убедятся, что скорость поступления воды в мерный цилиндр стабильна или возрастает во времени, но не позже начала схватывания. Если вода в мерный цилиндр 15 не поступает или скорость притока быстро уменьшается, опыт повторяют, но при несколько большем отношении h2/h1.

Условимся тот наибольший относительный перепад давлений между фильтрами, при котором еще не возникает устойчивый переток воды из сосуда 18 в сосуд 17 через тампонажный раствор, называть показателем тампонирующей способности

Чем больше показатель km, тем лучше изоляционные свойства тампонажного раствора.

Увеличить показатель тампонирующей способности и уменьшить проницаемость раствора можно следующими способами: а) уменьшением относительного водосодержания; б) увеличением скорости структурообразования с помощью ускорителей схватывания; в) регулированием гранулометрического состава тампонажной смеси, направленным на предотвращение образования сверхкапиллярных и капиллярных пор; г) вводом в состав смеси добавок, способствующих расширению тампонажного теста в период загустевания и схватывания; д) добавлением к раствору веществ, способных кольматировать поровые каналы.