WIERTNICTWO NAFTA GAZ · TOM 23/1 · 2006 Íèêîëàé È. Íèêîëàåâ* ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ÌÈÊÐÎÑÊÎÏÈ×ÅÑÊÈÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß ÏÐÎÖÅÑÑÀ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß ÖÅÌÅÍÒÍÎÃÎ ÊÀÌÍß Â 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