Портландцемент
З усіх перелічених в'яжучих для цементування свердловин найбільш широко використовують ПЦТ, оскільки його властивості найповніше відповідають умовам цементування і піддаються регулюванню в широких межах при введенні модифікуючих добавок.
ПЦТ — порошкоподібний матеріал, який складається з штучних (клінкерних) мінералів. Ці мінерали мають високу хімічну активність і здатні взаємодіяти з водою. Внаслідок реакцій гідратації суспензія портландцементного порошку у воді утворює тверде тіло.
Мінерали, що складають ПЦТ, утворюються внаслідок високотемпературного випалювання суміші оксидів, які вміщуються у певному співвідношенні.
Хімічний склад ПЦТ досить стабільний:
o оксид кальцію, СаО (пегашепе вапно) 64—68%;
o оксид кремнію, SiO, (кремнезем) 19—23%;
o оксид алюмінію, А120, (глинозем) 4—8%;
o оксид заліза, Fe,0, (гематит) 3—6%.
Крім цих чотирьох головних оксидів, до складу ПЦТ входять деякі інші оксиди у вигляді домішок: оксиди магнію (MgO), калію (К20), натрію (Na20), титану (Ті02) та ін., які здебільшого погіршують якість ПЦТ, тому їхня кількість обмежується.
У процесі виробництва ПЦТ як вихідні (сировинні) матеріали використовують вапняк з високим вмістом СаС03 і каолінову глину, що вміщує каолініт Al203 . 2Si02 . 2H20. Оксид заліза знаходиться у глині як домішка.
Цінним сировинним матеріалом для виробництва ПЦТ є мергель. Цей природний карбонат кальцію вміщує в собі понад 20% глинистих домішок, тобто за хімічним складом відповідає вимогам до сировини для виробництва ПЦТ.
Існують два основних способи виробництва ПЦТ — «мокрий» і «сухий».
У разі «мокрого» способу сировинні матеріали роздрібнюють з одночасною добавкою води. Внаслідок цього утворюється пульпа, яка вміщує 32—45% води. У вигляді пульпи сировину легше транспортувати, дозувати, гомогенізувати, однак на випаровування води необхідно витрачати значну кількість тепла.
Для випалювання шлам подають в довгу обертову піч, яка являє собою сталевий барабан діаметром 3—7 м і довжиною 90—200 м. Він встановлений з нахилом 3—5° до горизонту і обертається з частотою 1—2 об/хв. Продуктивність печі 50—125 т/год клінкеру. Подача сировини відбувається з верхнього «холодного» кінця, а з протилежного «гарячого» кінця печі надходять гарячі гази, які утворюються внаслідок спалювання твердого пилоподібного або газоподібного палива. Матеріал сировини переміщується назустріч гарячим газам із швидкістю 0,5—0,6 м/с і поступово нагрівається до максимальної температури випалювання 1400—1500 °С.
Внаслідок часткового розплавлення і перекачування матеріалу при обертанні печі продукт випалювання (клінкер) має вигляд гранул розміром від декількох до 30 мм. Згідно з технологією виробництва важливим є швидке охолодження клінкеру після випалювання, яке відбувається в спеціальних холодильниках.
У разі «сухого» способу виробництва після попереднього роздрібнювання вихідних матеріалів процес дроблення продовжується з одночасним висушуванням гарячими газами в обертових печах. Для гомогенізації порошок суміші перемішують стиснутим повітрям. Випалювання порошку ведеться гарячими газами в циклонних теплообмінниках до температури 700—800 °С і в обертовій печі. Витрати тепла на випалювання у разі «сухого» способу становлять біля 3500 кДж на 1 кг клінкеру, а у разі «мокрого» — біля 6000 кДж.
Оскільки «мокрий» спосіб більш енергоємний і менш економічний, то деякі заводи використовують комбінований спосіб, за якого вихідний шлам готуєься за «мокрим» способом і потім більша частина води відфільтровується під тиском, а решту видаляють шляхом висушування. Висушена суміш випалюється за «сухим» способом.
Після охолодження портландцементний клінкер роздрібнюють спочатку в подрібнювачах, а потім у кульових трубчастих млинах довжиною 15—18 м і діаметром 3—4 м. Розмелювальними елементами служать кулі діаметром 15—125 мм або циліндри діаметром 16—25 мм і довжиною 25—40 мм.
У вихідній суміші під час випалювання відбуваються такі процеси. За температури в діапазоні 100—600 °С глинистий компонент розкладається на оксиди А1203, Si02, Fe203, H20. Вода випаровується в атмосферу.
За температури 600°С СаС03 починає розкладатися на СаО і С02, останній вивітрюється в атмосферу. Після цього починаються реакції зв'язування СаО з кислотними оксидами алюмінію і заліза. З підвищенням температури зростає кількість зв'язаного СаО.
При досягненні температури близько 1200 °С утворюється перше мінеральне з'єднання 4CaO∙Al203.Fe203 - браунмілерит або чотирьохкальцієвий алюмоферит (C4AF). За температури 1200 °С закінчується процес утворення другого мінерального з'єднання — трьохкальцієвого алюмінату ЗСаО-А1203(С3А).
Приєднання СаО до Si02 починається за температури 600 °С, інтенсивно проходить за 900-1000°С і закінчується за температури 1250 °С з утворенням третього мінерального з'єднання - двокальцієвого силікату 2CaO-Si02 (C2S). Інтенсивне утворення четвертого мінерального з'єднання - трьохкальцієвого силікату 3CaSi02 (C3S) - проходить за температури 1420-1470 °С. За цієї температури розплавляються С3А та C4AF, більша частина яких у разі швидкого охолодження клінкеру не встигає кристалізуватися, внаслідок чого утворюється склоподібна маса - клінкерне скло.
Крім чотирьох головних мінералів (C3S, C2S, C3A,C4AF) до складу клінкеру в невеликій кількості можуть входити оксиди MgO, К20, Na20 та ін., а також у вигляді окремого мінералу - активний оксид кальцію (СаО).
Масова доля окремих мінералів у портландцементному клінкері коливається в таких межах: 40-60% аліту (C3S); 15-35% беліту (C2S); 2-6% трьохкальцієвого алюмінату (С3А); 4-13% чотирьохкальцієвого алюмофериту (C4AF); 5-15% склоподібної фази (целіту).
Кожний з мінералів має певний вплив на властивості ПЦТ, а саме:
Аліт забезпечує головну якість цементу - повільне затужавіння і швидке затвердіння.
Беліт реагує з водою більш повільно. Процес триває роками, що сприяє довговічності цементного каменю. В процесі підвищення температури швидкість реакції у беліті зростає. Тому белітовий цемент більш придатний для високотемпературних (геотермальних) свердловин. У США випускають тампонажний цемент HTS, який зовсім не має в своєму складі аліту. Він складається з беліту. і молотого кварцу і призначений для цементування високотемпературних свердловин.
Отже, від співвідношення кількості аліту і беліту в цементі залежить його активність і відповідно придатність до низьких або високих температур.
Трьохкальцієвий алюмінат прискорює процес затужавіння і затвердіння портландцементного розчину. Він знижує корозійну стійкість ПЦТ в середовищі сульфатів і сірководню, але сприяє зв'язуванню великої кількості води та інтенсивному тепловиділенню, що важливо для цементування за умов низьких температур.
Алюмоферит менш активний, ніж С3А, однак він підвищує суль-фатостійкість цементного каменю.
Склоподібна фаза (целіт) поєднує в собі властивості С3А і C4AF. тому що вона складається з цих мінералів.
Дата добавления: 2014-12-29; просмотров: 1010;