Николай И. Николаев* ЭЛЕКТРОННО

WIERTNICTWO NAFTA GAZ · TOM 23/1 · 2006
Íèêîëàé È. Íèêîëàåâ*
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ÌÈÊÐÎÑÊÎÏÈ×ÅÑÊÈÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß
ÏÐÎÖÅÑÑÀ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß ÖÅÌÅÍÒÍÎÃÎ ÊÀÌÍß
 ÍÅÔÒßÍÛÕ È ÃÀÇÎÂÛÕ ÑÊÂÀÆÈÍÀÕ
Ïîðèñòîñòü öåìåíòíîãî êàìíÿ îïðåäåëÿåò òàêèå ñâîéñòâà êàê ïðî÷íîñòü,
ïðîíèöàåìîñòü, óñòîé÷èâîñòü ê âîçäåéñòâèþ àãðåññèâíûõ ïëàñòîâûõ ôëþèäîâ è ò.ä.
Âèä ñîåäèíåíèé, ñëàãàþùèõ öåìåíòíûõ êàìåíü, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èõ îáðàçîâàíèÿ
òàêæå âëèÿþò íà ïîðîâóþ ñòðóêòóðó êàìíÿ.
Âûïîëíåííûå íàìè èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè áëèæàéøåì ðàññìîòðåíèè çàòâåðäåâøàÿ öåìåíòíàÿ ìàññà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëèìåðìèíåðàëüíûé èñêóññòâåííûé êîíãëîìåðàò, ñîñòîÿùèé èç àìîðôíîé è êðèñòàëëè÷åñêîé ôàç (ðèñ. 1 è 2).
Ðèñ. 1. Àìîðôíàÿ ôàçà öåìåíòíîãî êàìíÿ. Óâåëè÷åíèå 3000´
* Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé ãîðíûé èíñòèòóò (òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò) èì. Ã.Â. Ïëåõàíîâà, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Ðîññèÿ
341
Ðèñ. 2. Êðèñòàëëè÷åñêàÿ ôàçà öåìåíòíîãî êàìíÿ. Óâåëè÷åíèå 5000´
Ïðîâåäåííûé ðåíòãåíî-ñòðóêòóðíûé àíàëèç öåìåíòíîãî êàìíÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî
êðèñòàëëè÷åñêàÿ ôàçà ïðîäóêòîâ ãèäðàòàöèè ïðåäñòàâëåíà â îñíîâíîì ãåêñàãîíàëüíûìè ãèäðîàëþìèíàòàìè êàëüöèÿ, ãèäðîñèëèêàòàìè êàëüöèÿ, à òàêæå Ca(OH)2.
Ãèäðîñèëèêàòû êàëüöèÿ (C3SH4, C2SH) êðèñòàëëèçóþòñÿ ïåðâûì èç ìèíåðàëîâ,
êîãäà öåìåíòíîå òåñòî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîëëîèäíûé ãåëü â çàêëþ÷èòåëüíîé ôàçå
ñòàäèè êîàãóëÿöèè.
Èäåîìîðôíîñòü î÷åðòàíèé è áåñïîðÿäî÷íàÿ îðèåíòèðîâêà â ïðîñòðàíñòâå ïîäàâëÿþùåãî áîëüøèíñòâà êðèñòàëëîâ ãèäðîñèëèêàòîâ êàëüöèÿ, îáðàçóþùèõñÿ ïðè òâåðäåíèè öåìåíòíîãî òåñòà ñ Â/Ö = 0,5 è áîëåå (ðèñ. 3), ñâèäåòåëüñòâóþò îá èõ çàðîæäåíèè â óñëîâèÿõ ñâîáîäíîãî ïðîñòðàíñòâà è çàñòîéíîé ñðåäû. Îòíîñèòåëüíàÿ áëèçîñòü
ðàçìåðîâ êðèñòàëëè÷åñêèõ èíäèâèäîâ ïðè îäèíàêîâûõ óñëîâèÿõ ïèòàíèÿ óêàçûâàåò
íà ïî÷òè îäíîâðåìåííîå èõ çàðîæäåíèå ïî âñåìó îáúåìó öåìåíòíîé ñóñïåíçèè.
Ðèñ. 3. Èäåîìîðôíîñòü î÷åðòàíèé è áåñïîðÿäî÷íàÿ îðèåíòèðîâêà â ïðîñòðàíñòâå êðèñòàëëîâ
ãèäðîñèëèêàòîâ êàëüöèÿ. Óâåëè÷åíèå 3000´
342
Ïîñëåäóþùåå ðàçðàñòàíèå áåñïîðÿäî÷íî îðèåíòèðîâàííûõ â ïðîñòðàíñòâå êðèñòàëëîâ ñïîñîáñòâóåò ïîÿâëåíèþ êîíòàêòîâ ìåæäó îòäåëüíûìè èíäèâèäàìè è ôîðìèðîâàíèþ òðåõìåðíîãî êðèñòàëëè÷åñêîãî ñêåëåòà â ðàìêàõ êîëëîèäíîé ñèñòåìû
öåìåíòíîãî òåñòà.
Èçâåñòíî [1], ÷òî â ïðîöåññå ôîðìèðîâàíèÿ êðèñòàëëèçàöèîííîé ñòðóêòóðû öåìåíòíîãî êàìíÿ â íåì îáðàçóåòñÿ äâà âèäà ïîð ïîðû ãåëÿ è ìàêðîêàïèëëÿðû (ðèñ. 4 è 5).
Ðèñ. 4. Ïîðû ãåëÿ. Óâåëè÷åíèå 4000´
Ðèñ. 5. Ìàêðîêàïèëÿðû. Óâåëè÷åíèå 6000´
Íà äèôôåðåíöèàëüíîé êðèâîé ðàñïðåäåëåíèÿ ïîð ïî ðàäèóñàì íàáëþäàåòñÿ äâà
ïèêà, èç êîòîðûõ îäèí ñîîòâåòñòâóåò ïîðàì ãåëÿ (r = 18–40 C), à äðóãîé – ìàêðîêàïèëëÿðàì (r = 1000–10000 C). Ìàêðîêàïèëëÿðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàïèëëÿðíûå ïîðû
è êðóïíûå ïîðû (ïóñòîòû). Ïðè ýòîì ïîëîæåíèå âòîðîãî ïèêà íà äèôôåðåíöèàëüíîé
êðèâîé îïðåäåëÿåòñÿ â îñíîâíîì çíà÷åíèåì íà÷àëüíîãî Â/Ö.
343
Êðóïíûå ïîðû îáðàçóþòñÿ, ãëàâíûì îáðàçîì, çà ñ÷åò íàëè÷èÿ â öåìåíòíîé
ñóñïåíçèè èçáûòî÷íîé âîäû çàòâîðåíèÿ. Ïîñêîëüêó äëÿ ïîëíîé ãèäðàòàöèè öåìåíòíûõ ìèíåðàëîâ äîñòàòî÷íî Â/Ö = 0,37¸0,4, òî ïðè áàçîâîì Â/Ö = 0,5 èçáûòî÷íûå
ìîëåêóëû âîäû, íàõîäÿùèåñÿ â öåìåíòíîì òåñòå â âèäå îòäåëüíûõ ãëîáóë, ïîñëå
çàâåðøåíèÿ ñòàäèè êðèñòàëëèçàöèè ñâÿçûâàþòñÿ êðèñòàëëè÷åñêèìè è ïîâåðõíîñòíûìè ñèëàìè, à â ìåñòàõ èõ áûâøåãî ñêîïëåíèÿ îáðàçóþòñÿ êðóïíûå ïóñòîòû (ðèñ. 6).
Ðèñ. 6. Êðóïíûå ïîðû. Óâåëè÷åíèå 500´
Ïðî÷íîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè òàìïîíàæíîãî êàìíÿ ÿâëÿþòñÿ îïðåäåëÿþùèìè
ïðè ðàçðàáîòêå ñîñòàâîâ öåìåíòíûõ ñìåñåé è ñïîñîáîâ öåìåíòèðîâàíèÿ îáñàäíûõ
êîëîíí. Îäíèì èç ñóùåñòâåííûõ ìîìåíòîâ ïðè ýòîì íàäî ñ÷èòàòü ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè òàìïîíàæíîãî êàìíÿ â íà÷àëüíûå ñðîêè òâåðäåíèÿ.
Ïðî÷íîñòü òàìïîíàæíûõ ìàòåðèàëîâ íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ òâåðäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ
ôóíêöèåé êîëè÷åñòâà âÿæóùåãî âåùåñòâà â îáúåìå îáðàçöà è îáû÷íî âûðàæàåòñÿ
àíàëèòè÷åñêè êàê íåêàÿ ôóíêöèÿ îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè òâåðäîé ôàçû ìàòåðèàëà Vs
è ñîîòâåòñòâóþùåé ïîðèñòîñòè Vp, ïðè÷åì Vs + Vp = 1 [2].
Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ïðè ðàññìîòðåíèè âîïðîñîâ ïðî÷íîñòè ñòðóêòóðû öåìåíòíîãî êàìíÿ â ïîñëåäíåå âðåìÿ íàìåòèëîñü íåñêîëüêî ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèé (À.Ô.
Ïîëàê, Ì.Þ. Áîëüøèí, Ê. Øèëëåð, Ò. Ïàóýðñ è äð.), áîëüøèíñòâî ó÷åíûõ ñõîäÿòñÿ
âî ìíåíèè, ÷òî âñå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ïðî÷íîñòü (âîçðàñò, âîäîöåìåíòíîå îòíîøåíèå, óäåëüíàÿ ïîâåðõíîñòü, ñîñòàâ êëèíêåðà è ò.ä.) îêàçûâàþò ýòî âëèÿíèå íå íåïîñðåäñòâåííî, à ÷åðåç âëèÿíèå íà ïîðèñòîñòü.
 íàèáîëåå îáùåì âèäå çàâèñèìîñòü ïðî÷íîñòè öåìåíòíîãî êàìíÿ îò ñîäåðæàíèÿ â íåì îòäåëüíûõ êîìïîíåíòîâ ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà óðàâíåíèåì Ôåðå [3]
s=k
Vu
,
Vu + VH2O + Vbâ
ãäå:
k – íåêàÿ êîíñòàíòà,
Vö, VH2O ,Vâ – àáñîëþòíûå îáúåìû öåìåíòà, âîäû è âîâëå÷åííîãî âîçäóõà.
344
Òàê êàê îáúåì âîçäóõà Vâ, âîâëå÷åííîãî â öåìåíòíûé ðàñòâîð ïðè ïðèãîòîâëåíèè ñìåñè ìîæíî ñâåñòè ê ìèíèìóìó ñîáëþäåíèåì îïðåäåëåííûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ
ìåðîïðèÿòèé, íàïðèìåð, âèáðîîáðàáîòêà, òî, êàê âèäíî èç óðàâíåíèÿ åäèíñòâåííûì
ïîêàçàòåëåì, ïîçâîëÿþùèì óâåëè÷èòü ïðî÷íîñòü öåìåíòíîãî êàìíÿ, ÿâëÿåòñÿ ñíèæåíèå äîëè âîäû çàòâîðåíèÿ (VH2O ) ïðè ïðèãîòîâëåíèè ðàñòâîðà.
Ïðîâåäåííûå ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ïîðîâîé ñòðóêòóðû
öåìåíòíîãî êàìíÿ ñ íèçêèì ñîäåðæàíèåì äèñïåðñèîííîé ñðåäû (Â/Ö # 0,4), ïîêàçàëè
ñóùåñòâåííîå îòëè÷èå îò ñòðóêòóðû êàìíÿ, ïîëó÷åííîãî èç ñòàíäàðòíîãî öåìåíòíîãî
ðàñòâîðà ñ Â/Ö = 0,5.
Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ ýòèõ èññëåäîâàíèé ïîêàçûâàåò ðåçêîå ñíèæåíèå äîëè ìàêðîïîð â îáùåé ñòðóêòóðå ïîðîâîãî ïðîñòðàíñòâà (ðèñ. 7)
Ðèñ. 7. Ãèñòîãðàììà ðàñïðåäåëåíèÿ ïîð ïî ðàçìåðàì â îáúåìå öåìåíòíîãî êàìíÿ
Òàê, ïðè îòíîñèòåëüíîì ïîñòîÿíñòâå ãåëåâîé ïîðèñòîñòè (50–55%) â áàçîâîì îáðàçöå (Â/Ö = 0,5) è â êîíòðîëüíîì (Â/Ö = 0,4), ñóùåñòâåííî âîçðîñëî ÷èñëî ìèêðîïîð
(ñ 20–25% äî 35–40%) è óìåíüøèëîñü êîëè÷åñòâî ïîð ñ ðàäèóñîì áîëåå 1000 C
(ñ 20–30% äî 10–15%). Ïðè ýòîì ñóììàðíàÿ ïîðèñòîñòü êîíòðîëüíîãî îáðàçöà
(Â/Ö = 0,4) òàêæå ñíèçèëàñü âåñüìà ñóùåñòâåííî (ñ 42% äî 27%) ïî îòíîøåíèþ ê áàçîâîìó.
Óêàçàííûå ìåòàìîðôîçû îáúÿñíÿþòñÿ òåì, ÷òî ïðè íåäîñòàòêå, èëè ïðè êðèòè÷åñêè ìàëîì êîëè÷åñòâå ðàñòâîðèòåëÿ (âîäû) â öåìåíòíîé ñóñïåíçèè (Â/Ö = 0,4)
ãèäðàòàöèÿ ñèëèêàòîâ êàëüöèÿ ïðîèñõîäèò áîëåå àêòèâíî. Ïðè ýòîì ïåðâè÷íûå íîâîîáðàçîâàíèÿ îáðàçóþò áîëåå ïëîòíûé êðèñòàëëè÷åñêèé êàðêàñ, íà êîòîðîì ôîðìèðóåòñÿ êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà èç ãèäðîàëëþìèíàòîâ è Ñà(ÎÍ)2 áåç âèäèìûõ ïðèçíàêîâ ñêîïëåíèÿ èçëèøíèõ ìîëåêóë âîäû (ãëîáóë).
345
Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, îáúÿñíÿåò ñíèæåíèå ïðîöåíòíîãî ñîäåðæàíèÿ ìàêðîïîð,
à òàêæå îáùåå óìåíüøåíèå ïîðèñòîñòè ïðè óìåíüøåíèè âîäîöåìåíòíîãî îòíîøåíèÿ
â òàìïîíàæíîì ðàñòâîðå.
 òàáëèöå 1 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ìèêðîñòðóêòóðû öåìåíòíîãî
êàìíÿ â çàâèñèìîñòè îò âîçðàñòà è óñëîâèé òâåðäåíèÿ.
Òàáëèöà 1
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïîðîâîé ñòðóêòóðû öåìåíòíîãî êàìíÿ. Òåìïåðàòóðà òâåðäåíèÿ +21°Ñ
No.
ï/ï
Âðåìÿ
òâåðäåíèÿ,
ñóòêè
Ðàñïðåäåëåíèå ïîð ïî ðàäèóñàì [%]
Ïëîòíîñòü öåì.
Ïîðèñòîñòü,
êàìíÿ,
n
3
3
r (10 êã/ì )
äî 30 C 30–1000 C 1000–10 000 C
Áàçîâûé ïîðòëàíäöåìåíò (Â/Ö = 0,5)
1
2
3
4
3
7
14
28
1,67
1,75
1,79
1,85
0,45
0,38
0,31
0,28
52
19
29
38
12
41
10
Áàçîâûé ïîðòëàíäöåìåíò (Â/Ö = 0,4)
5
6
7
8
3
7
14
28
2,05
2,08
2,12
2,15
0,32
0,26
0,2
0,19
50
Ïîëèìåðöåìåíòíûé êàìåíü (Â/Ö = 0,4)
9
10
11
12
3
7
14
28
2,06
2,1
2,15
2,16
0,3
0,22
0,18
0,17
49
Èõ àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî îáùàÿ ïîðèñòîñòü òàìïîíàæíîãî êàìíÿ ñ ïîíèæåííûì ñîäåðæàíèåì äèñïåðñèîííîé ñðåäû (Â/Ö = 0,4), òâåðäåþùåãî 3, 7, 14 è 28 ñóòîê
â 1,4; 1,46; 1,55; 1,47 ðàçà ìåíüøå ïîðèñòîñòè áàçîâûõ îáðàçöîâ (Â/Ö = 0,5). Ââåäåíèå â ñîñòàâ öåìåíòà 0,8% «Êîíêðåïîëà» óìåíüøàåò ïîðèñòîñòü â 1,5; 1,73; 1,72;
1,65 ðàçà ñîîòâåòñòâåííî.
Êðîìå òîãî, äîëÿ ìàêðîïîð â îáùåé ïîðîâîé ñòðóêòóðå öåìåíòíîãî êàìíÿ ïðè
óìåíüøåíèè Â/Ö ñ 0,5 äî 0,4 ñíèæàåòñÿ â 2,4 ðàçà, à ïðè íàëè÷èè â ñîñòàâå ïîëèìåðíîé äîáàâêè â 2,9 ðàçà. Òàêèì îáðàçîì, òàìïîíàæíûé êàìåíü ñ äîáàâêîé 0,8%
«Êîíêðåïîëà» è ïîíèæåííûì ñîäåðæàíèåì äèñïåðñèîííîé ñðåäû (Â/Ö=0,4) ïðè
íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ îáëàäàåò óëó÷øåííîé ïîðîâîé òåêñòóðîé è, ñîîòâåòñòâåííî,
ïîíèæåííîé ïðîíèöàåìîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ áàçîâûì ïîðòëàíäöåìåíòíûì êàìíåì.
346
ÂÛÂÎÄÛ
1. Íåñìîòðÿ íà âñþ ñëîæíîñòü èäåíòèôèêàöèè ïðîìåæóòî÷íûõ çâåíüåâ ïðîäóêòîâ
ãèäðàòàöèè ïîðòëàíäöåìåíòà ìîæíî ñ÷èòàòü äîêàçàííûì, ÷òî ïðî÷íîñòü öåìåíòíîãî êàìíÿ îïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èå â åãî ñòðóêòóðå íèòåâèäíûõ ôîðì ãèäðîñèëèêàòà êàëüöèÿ (C3CH, C2SH).
2. Òàìïîíàæíûé êàìåíü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîìïîçèöèîííûé ìàòåðèàë, êðèñòàëëè÷åñêèé êàðêàñ êîòîðîãî ôîðìèðóþò èîííûå ðàçíîñòè òðåõêàëüöèåâîãî ãèäðîñèëèêàòà (C3CH), à ðîëü ñâÿçè âûïîëíÿþò âñå îñòàëüíûå êðèñòàëëè÷åñêèå è àìîðôíûå ôîðìû áîëåå ïîçäíèõ ìèíåðàëîâ öåìåíòíîé êîìïîçèöèè.
3. Ïîíèæåííîå ñîäåðæàíèå äèñïåðñèîííîé ñðåäû â öåìåíòíîì ðàñòâîðå (Â/Ö = 0,4)
óìåíüøàåò äîëþ ìàêðîïîð â îáùåé ñòðóêòóðå ïîðîâîãî ïðîñòðàíñòâà öåìåíòíîãî êàìíÿ â 2,4 ðàçà ïî ñðàâíåíèþ ñ áàçîâûìè îáðàçöàìè (Â/Ö = 0,5).
4. Óìåíüøåíèå âîäîöåìåíòíîãî îòíîøåíèÿ (Â/Ö) ñ 0,5 äî 0,4 ñíèæàåò ñóììàðíóþ
ïîðèñòîñòü öåìåíòíîãî êàìíÿ ñ 42 äî 27%.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
[1] Äàíþøåâñêèé Â.Ñ., Äæàáàðîâ Ê.À.: Òðè âèäà ïîð â öåìåíòíîì êàìíå. Èçâ. ÀÍ
ÑÑÑÐ, ñåð. Íåîðãàíè÷åñêèå ìàòåðèàëû, ò. X, 1974, No. 2, 354–357
[2] Äåäóñåíêî Ò.ß., Èâàííèêîâ Â.È., Ëèïêåñ Ì.È.: Áóðîâûå ðàñòâîðû ñ ìàëûì
ñîäåðæàíèåì òâåðäîé ôàçû. Íåäðà 1995, 160
[3] Äàíþøåâñêèé Â.Ñ., Àëèåâ Ð.Ì. Òîëñòûõ È.Ô.: Ñïðàâî÷íîå ðóêîâîäñòâî ïî
òàìïîíàæíûì ìàòåðèàëàì. Ì., Íåäðà 1984, 373
347