Nghiên cứu ảnh hưởng của Fe(OH)3 và feo3 siêu mịn đến các tính chất của xi măng giếng khoan chủng loại

- Thực nghiệm ảnh hưởng của FeOH3 và Fe2O3 siêu mịn đến một số tính chất của xi măng giếng khoan chủng loại G:  Độ chảy tỏa, độ tách nước ở nhiệt độ thường  Thời gian bắt đầu và kết th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đề tài

TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN CHỦNG LOẠI G

Họ và tên học viên: Nguyễn Trần Sơn Lớp : VLPK 2009 Chuyên ngành : Khoa học và Kỹ thuật vật liệu phi kim

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của Fe(OH)3 và Fe2O3 siêu mịn đến các tính chất của

xi măng giếng khoan chủng loại G

Tác giả luận văn: Nguyễn Trần Sơn Khóa: 2009

Người hướng dẫn: 1 PGS TSKH Nguyễn Anh Dũng

2 ThS Lưu Thị Hồng Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài

Phụ gia khoáng được sử dụng trong xi măng giếng khoan từ lâu nay Nó là một giải pháp góp phần tăng chất lượng bơm trám cũng như độ bền của lớp vỏ bọc xung quanh ống chống

Nhiều loại phụ gia khoáng đã được sử dụng và đem lại hiệu quả cao, chẳng hạn như tro bay, xỉ lò cao, silicafume

Phụ gia hợp chất sắt cũng là một loại phụ gia được đưa vào nhằm nâng cao các tính chất của xi măng giếng khoan Tuy nhiên lâu nay người ta chỉ nghiên cứu sử dụng

phụ gia hợp chất sắt có độ mịn chưa cao Với lý do đó đề tài muốn nghiên cứu ảnh

hưởng của Fe(OH)3 và Fe2O3 ở kích thước siêu mịn (0,1 - 5µm) đến tính chất của xi măng và xem xét khả năng khoáng hoạt tính của chúng

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích:

Đề tài này muốn đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia phế thải công nghiệp Fe(OH)3 và Fe2O3 (sau khi nung phế thải Fe(OH)3 ở 400oC) kích thước siêu mịn đến một số tính chất của xi măng giếng khoan, đồng thời xem xét khả năng khoáng hoạt tính của chúng Từ đó có thể đưa ra được những lựa chọn tối ưu về loại phụ gia cũng như tỉ lệ của chúng nhằm phục vụ cho việc bơm trám giếng khoan

Đối tượng:

Đối tượng nghiên cứu là là xi măng giếng khoan chủng loại G và 2 loại phụ gia (phế thải của nhà máy nước) siêu mịn Fe(OH)3 và Fe2O3

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Luận văn đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

- Thực nghiệm ảnh hưởng của Fe(OH)3 và Fe2O3 siêu mịn đến một số tính chất của xi măng giếng khoan chủng loại G:

 Độ chảy tỏa, độ tách nước ở nhiệt độ thường

 Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ở 52oC và 75oC

 Cường độ uốn, cường độ nén ở 60oC và 75oC

 Chứng minh sự tạo thành khoáng Ettringit của Fe(OH)3

- Đánh giá, giải thích các tác động của phụ gia lên xi măng gốc và chứng minh khả năng khoáng hoạt tính của Fe(OH)3

d) Phương pháp nghiên cứu

Từ những nhận định ban đầu về khả năng tác động của phụ gia lên xi măng gốc,

đề tài khảo sát các tính chất của xi măng sau khi pha trộn phụ gia bằng các phương pháp xác định cơ lý như: xác định độ tách nước, độ chảy tỏa, cường độ… và các vi phân tích như: xác định cấu trúc bằng SEM, phân tích X-ray…Từ đó giải thích, chứng minh luận điểm và đưa ra kết luận

e) Kết luận

Từ các kết quả thực nghiệm thu được, có thể rút ra một số kết luận như sau:

- Fe(OH)3 siêu mịn có ảnh hưởng tích cực đến một số tính chất của xi măng giếng khoan chủng loại G, đặc biệt là ở tỷ lệ 2% cho thấy những ưu việt rõ rệt khi cải thiện được độ linh động, kéo dài thời gian đông kết, tăng cường độ Đó là nhờ kích thước hạt siêu mịn, nó góp phần điền đầy cấu trúc, cải thiện cường độ Ngoài ra nó còn đóng vai trò như một phụ gia hoạt tính khi tham gia vào quá trình tạo khoáng mới dạng Ettringit sắt thay thế Al có tính kết dính và chịu nhiệt rất tốt

- Không nên dùng Fe2O3 để làm phụ gia cho xi măng giếng khoan vì nó làm suy giảm cường độ của đá xi măng về sau

Hà Nội, ngày 07 tháng 06 năm 2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 6

1 Tính cấp thiết của đề tài 6

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 7

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 7

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN 8

1.1 Khái niệm chung về xi măng giếng khoan: 8

1.2 Phân loại xi măng giếng khoan: 9

1.3 Một số chỉ tiêu công nghệ đối với xi măng giếng khoan 11

CHƯƠNG II CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13

2.1 Quá trình hydrat hóa các khoáng xi măng: 13

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hydrat hóa của xi măng: 19

2.3 Các tính chất quan trọng của xi măng giếng khoan 20

2.3.1 Nhu cầu nước của dung dịch xi măng giếng khoan 20

2.3.2 Tỷ trọng dung dịch xi măng giếng khoan 22

2.3.3 Độ linh động của dung dịch xi măng 22

2.3.4 Thời gian đặc quánh của dung dịch xi măng giếng khoan 23

2.3.5 Tách nước và độ thấm của xi măng giếng khoan 24

2.4 Tác dụng của phụ gia hợp chất sắt trong xi măng giếng khoan 25

2.5 Cấu trúc bê tông của vữa xi măng 26

2.6 Tình hình nghiên cứu phụ gia chứa sắt tại Việt Nam và trên thế giới 29

CHƯƠNG III

VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

3.1 Vật liệu nghiên cứu 33

3.1.1 Xi măng giếng khoan chủng loại G 33

3.1.2 Phụ gia Fe(OH)3 và Fe2O3 34

3.2 Chuẩn bị các mẫu xi măng có phụ gia 36

3.3 Các phương pháp thí nghiệm 37

3.3.1 Phương pháp xác định độ chảy tỏa 37

3.3.2 Phương pháp xác định độ tách nước 37

3.3.3 Phương pháp xác định thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết 38

3.3.4 Phương pháp xác định giới hạn bền uốn, nén 38

3.3.5 Phương pháp xác định thành phần hạt 38

3.3.6 Phương pháp xác định cấu trúc bằng SEM 39

3.3.7 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 39

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

4.1 Ảnh hưởng của phụ gia hợp chất sắt đến thời gian đông kết 40

4.2 Ảnh hưởng của phụ gia hợp chất sắt đến độ chảy tỏa 43

4.3 Ảnh hưởng của phụ gia hợp chất sắt đến độ tách nước 45

4.4 Ảnh hưởng của phụ gia hợp chất sắt đến cường độ uốn, nén 45

4.4.1 Phụ gia Fe(OH)3 vô định hình 46

4.4.2 Phụ gia Fe2O3 50

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Hợp chất, thuật ngữ

CaO SiO2

Al2O3

Fe2O3

Xi măng sử dụng phụ gia Fe(OH)3

Xi măng sử dụng phụ gia Fe2O3 Nước/Chất rắn

Thời gian bắt đầu đông kết Thời gian kết thúc đông kết Mất khi nung

BĐ ĐK

KT ĐK MKN CKD

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Giới hạn thành phần hóa học xi măng G

Bảng 2 Yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm

Bảng 3 Hệ số nhu cầu nước của xi măng giếng khoan

Bảng 4 Thành phần khoáng, hoá, cơ lý của clanhke xi măng

Bảng 5 Thành phần hóa học của hydroxit sắt

Bảng 6 Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ở nhiệt độ 75oC

Bảng 7 Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ở nhiệt độ 52oC

Bảng 8 Độ chảy tỏa của các mẫu

Bảng 9 Cường độ nén và uốn của xi măng sử dụng phụ gia Fe(OH)3 vô định

hình ở 75oC

Bảng 10 Tỷ lệ thay đổi cường độ của xi măng A so với mẫu gốc

Bảng 11 Cường độ nén và uốn của xi măng sử dụng phụ gia Fe2O3 ở 75oC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Vị trí của vành đá xi măng trám giếng khoan

Hình 2 Mô tả sự phân bố điện tích bao quanh hạt xi măng theo lý thuyết

Stern

Hình 3 Mô tả cấu trúc kết bông của vữa xi măng

Hình 4 Phân tích rơnghen mẫu hydroxit sắt

Hình 5.a Thông số phân bố cỡ hạt của hydroxit sắt

Hình 5.b Sơ đồ phân bố cỡ hạt của hydroxit sắt

Hình 6.a Cỡ hạt của hydroxit sắt -SEM với độ phóng đại 20.000 lần

Hình 6.b Cỡ hạt của hydroxit sắt - SEM với độ phóng đại 15.000 lần

Hình 7 Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ở nhiệt độ 75oC

Hình 8 Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết ở nhiệt độ 52oC

Hinh 9 Độ chảy tỏa của các mẫu

Hình 10 Sự phát triển cường độ của mẫu xi măng A

Hình 11 Sự phát triển cường độ của xi măng B

Hình 12 Kết quả phân tích XRD chứng minh sự có mặt của khoáng Ettringit

dạng sắt thay thế

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới cũng như Việt Nam, để nâng cao chất lượng bơm trám cũng như tăng chiều cao cột dung dịch xi măng theo yêu cầu thiết kế và tăng độ bền của lớp

vỏ xi măng, người ta phải sử dụng tổ hợp các biện pháp kỹ thuật và công nghệ, song điều cơ bản nhất vẫn là lựa chọn vật liệu bơm trám thích hợp Một trong những giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này là sử dụng thêm các phụ gia khoáng cho xi măng

Phụ gia khoáng được sử dụng trong xi măng giếng khoan từ lâu nay Nó là một giải pháp góp phần tăng chất lượng bơm trám cũng như độ bền của lớp vỏ bọc xung quanh ống chống

Nhiều loại phụ gia khoáng đã được sử dụng và đem lại hiệu quả cao

Phụ gia hợp chất sắt cũng là một loại phụ gia như vậy Tuy nhiên lâu nay người ta chỉ nghiên cứu sử dụng phụ gia hợp chất sắt có độ mịn chưa cao và các hợp chất sắt khác nhau được nghiên cứu độc lập Với lý do đó chưa thể khám phá hết ảnh hưởng của kích thước hạt phụ gia đến xi măng cũng như khó có thể so sánh trực tiếp được ảnh hưởng của các loại hợp chất sắt khác nhau trên cùng một loại xi măng Mặt khác khi sử dụng phụ gia hợp chất sắt ở độ mịn cao dường như có xuất hiện những tính chất đột biến, góp phần cải thiện rất nhiều chất lượng xi măng giếng khoan

Đề tài này muốn đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia Fe(OH)3 (bã thải công nghiệp của nhà máy nước) và Fe2O3 (sản phẩm khi nung bã thải ở 400oC) kích thước siêu mịn đến một số tính chất của xi măng giếng khoan, đồng thời qua đó so sánh tác động của 2 loại phụ gia này Từ đó có thể đưa ra được những lựa chọn tối

ưu về loại phụ gia cũng như tỉ lệ của chúng nhằm phục vụ cho việc bơm trám giếng khoan

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của của oxit sắt III và hydroxit s ắt III siêu mịn đến một số tính chất của xi măng giếng khoan

Nhiệm vụ của đề tài

- Tổng hợp các quan điểm lý thuyết về cơ chế hydrat hóa và đóng rắn của xi măng khi không có và có mặt phụ gia hợp chất sắt

- Thực nghiệm ảnh hưởng của phụ gia hợp chất sắt đến một số tính chất của xi măng giếng khoan chủng loại G

- Đánh giá các tác động của phụ gia lên xi măng gốc và đưa ra đánh giá, kết luận

3 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Chỉ ra được sự khác biệt giữa việc có và không sử dụng phụ gia hợp chất sắt mịn, giữa 2 loại phụ gia khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau Qua đó so sánh, đánh giá ảnh hưởng của hai loại phụ gia

Đồng thời chứng minh được tác động tích cực của việc sử dụng phụ gia Fe(OH)3 siêu mịn

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là là xi măng giếng khoan chủng loại G và 2 loại phụ gia siêu mịn Fe(OH)3 và Fe2O3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN

1.1 Khái niệm chung về xi măng giếng khoan:

Xi măng giếng khoan dầu khí được dùng để trám giếng nhằm mục đích cách

ly các vỉa chứa dầu, khí với các vỉa khác hoặc chính các vỉa dầu, khí có áp suất khác nhau Đá xi măng gia cố cột ống chống với thành hệ và bảo vệ nó khỏi ăn mòn của các chất lỏng, khí chứa trong vỉa

Hình 1 Vị trí của vành đá xi măng trám giếng khoan

Trong quá trình trám giếng, thành giếng khoan được giữ vững nhờ sự cân bằng áp suất của cột dung dịch khoan và lớp xi măng bao quanh thành giếng với áp suất vỉa Vì vậy, để đảm bảo sự vững chắc của thành giếng khoan một thời gian dài trong quá trình thi công và khai thác, c ần phải có thành giếng khoan vững chắc (như

 Cách ly các tầng sản phẩm trong giếng khoan dầu khí, đặc biệt là không cho nước chảy vào các tầng sản phẩm chứa dầu, hoặc không cho dầu của tầng này chảy vào tầng khác

 Bảo vệ chất lượng và trữ lượng của mỏ cũng như đ ảm bảo an toàn cho công tác khai thác lâu dài

 Chống ăn mòn ống chống do tác dụng của nước khoáng

 Muốn đạt được mục đích nêu trên, thì công tác trám giếng khoan phải đạt các yêu cầu sau đây:

 Ống chống và đá xi măng xung quanh ống chống phải đảm bảo kín và có độ bền lâu dài

 Cột dung dịch xi măng trong vành xuyến giữa ống chống và thành giếng khoan phải đạt chiều cao thiết kế

Muốn đạt được múc đích trên thì công tác trám giếng khoan phải đ ạt các yêu cầu sau đây:

 Ống chống và đá xi măng xung quanh ống phải đảm bảo kín và có độ bền lâu dài

 Cột dung dịch trong vành xuyến giữa ống chống và thành giếng khoan phải đạt chiều cao thiết kế

Để có được giếng khoan khai thác lâu dài, thì vật liệu trám giếng có vai trò vô cùng quan trọng Khi trám vùng đáy, thân các giếng có nhiệt độ cao, thì hồ xi măng nảy sinh một số vấn đề như: Độ tách nước lớn, thời gian đ ặc quánh ngắn, độ bền cơ học và độ bền xâm thực giảm nhanh chóng Vành đá xi măng như trên sẽ làm xấu đi vai trò cách ly giữa các tầng sản phẩm Do đó, việc chống ống và bơm trám xi măng tiếp theo và khai thác gặp nhiều khó khăn do có thể sẽ gặp các sự cố Trên thế giới

đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng phụ gia thay thế xi măng chế tạo vật liệu trám giếng khoan tính năng cao Ở nước ta các phụ gia được nghiên cứu sử dụng chủ yếu trong công nghiệp sản xuất xi măng và bê tông thông thường Nghiên cứu, ứng dụng phụ gia trong vật liệu trám xi măng giếng khoan rất ít

1.2 Phân loại xi măng giếng khoan:

Do nhiệt độ trong giếng khoan thay đổi theo chiều tăng dần từ trên xuống (Trung bình c ứ xuống sâu 100m thì nhiệt độ tăng lên từ 2,7 – 3oC) và nhiệt độ của các giếng khoan cũng khác nhau nên nhu c ầu sử dụng xi măng giếng khoan rất khác nhau Xi măng giếng khoan được phân loại để phù hợp với điều kiện nhiệt độ, độ sâu bơm trám và các điều kiện kỹ thuật của giếng khoan

Xi măng giếng khoan trong hệ thống phân loại ISO được chia thành 10 loại và

có 3 mức: Thông thường, bền sun phát trung bình, bền sun phát cao

 Loại A là xi măng poóc lăng thông thường như type I của ASTM C150 Người ta sử dụng xi măng này ở giếng khoan có độ sâu 1830m tương ứng nhiệt độ

74oCtính từ bề mặt và không có yêu cầu đặc biệt về tính chất

 Người ta sử dụng loại B ở giếng khoan có độ sâu 1830m tương ứng nhiệt

độ 74 oC tính từ bề mặt khi có yêu cầu về tính bền sun phát Xi măng loại B thỏa mãn ASTM C150 type II hoặc bền sun phát cao

 Loại C cũng được sử dụng ở giếng khoan có độ sâu 1830m tính từ bề mặt khi có yêu c ầu về cường độ cao ở tuổi sớm Xi măng này thỏa mãn ASTM C150 type III

 Loại D được sử dụng ở độ sâu từ 1830 – 3050m áp suất trung bình với yêu cầu bền sun phát trung bình và bền sun phát cao

 Loại E được sử dụng ở độ sâu từ 3050 đến 4270m áp suất cao với yêu cầu bền sun phát trung bình và bền sun phát cao

 Loại F được sử dụng ở độ sâu từ 3050 đến 4880m áp suất cực cao với yêu cầu bền sun phát trung bình và bền sun phát cao

 Loại G và H được sử dụng ở độ sâu từ 2440m, là xi măng nền được sử dụng nhiều nhất trên thế giới Xi măng G và H đòi hỏi các tính chất chặt chẽ và nó được

sử dụng tât c ả các nơi trong điều kiện giếng khoan với đa dạng phụ gia để tạo ra thời gian bơm trám và đ ặc tính nóng thích hợp Xi măng G và H được yêu cầu bền sun phát trung bình và bền sun phát cao Sự khác nhau của xi măng G và H là: Xi măng G được thử 44% nước và xi măng H được thử 38% nước trong các yêu cầu

 Loại xi măng J (dicalcium silicate – silica là thành phần cơ bản) là xi măng giếng khoan được sử dụng trong vài năm gần đây Lo ại xi măng này được sử dụng trong giếng khoan sâu và nóng

 Loại xi măng L được nghiên cứu từ Viện nghiên cứu dầu khí c ủa Mỹ - API với mục đích thay thế cho loại G và H để đưa về một loại xi măng giếng khoan cơ bản Yêu c ầu về tính chất cơ lý, hóa học tương tự như xi măng G và H, chỉ khác là thử hồ sử dụng 42% là nước thay vì sử dụng 44% cho G và 38% cho H Trong thực

tế có nhiều thông tin về các giếng trên cơ sở xi măng G và H, do vậy người ta không muốn thay đổi tiêu chuẩn mới yêu cầu về nước cũng như các áp dụng đối với

xi măng L, vì các kinh nghiệm sử dụng xi măng L cho các giếng còn ít

Ngoài các yêu cầu trên thì xi măng trám giếng khoan đòi hỏi hàm lượng Caotd

và MgO thấp Người ta đã nghiên cứu và đưa ra mô hình thử đặc tính của hồ xi măng trong phòng thí nghiệm để kiểm tra mức giới hạn của MgO và CaOtd Kết luật đưa ra là: MgO tự do (dạng periclase) thích hợp ở khoảng < 1,5% theo khối lượng của pha clanhke xi măng poóc lăng và CaOtd được khống chế trong xi măng giếng khoan sẽ khác nhau theo yêu cầu hỗn hợp và điều kiện áp dụng

1.3 Một số chỉ tiêu công nghệ đối với xi măng giếng khoan

Xi măng G là loại được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các giếng khoan Sau đây là giới hạn thành phần hóa học của xi măng G

Bảng 1 Giới hạn thành phần hóa học xi măng G

Tên chỉ tiêu Giới hạn (%) Tên chỉ tiêu Giới hạn

14 – 18 1,0

6

SO3MKN CKT

Na2Oeq

3

3 0,75 0,75

Xi măng giếng khoan đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật ở mức cao hơn so với xi măng thông thường, đặc biệt là về tính dẻo và tính ổn định từ một mẻ sản phẩm

Bảng 2 Yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm

Chỉ tiêu chất lượng của dung dịch xi

măng

Đơn vị Mức chất lượng

Dung trọng

Nhiệt độ làm việc

Cường độ uốn ở tuổi 2 ngày

Thời gian đông kết

Xi măng pooc lăng là vật liệu kết dính đóng rắn trong nước và trong không khí, thu được bằng cách nghiền mịn clanh ke xi măng pooc lăng với thạch cao Trong xi măng pooc lăng chứa 4 khoáng chính là [1, 2]

 Sự hydrat hóa C3S và C2S

Hai khoáng này chiếm thành phần chủ yếu trong thành phần xi măng pooc lăng nên quá trình thủy hóa của chúng ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của đá xi măng Các nghiên cứu cho thấy, quá trình thủy thóa của khoáng C3S tương tự như

C2S và được coi như là mô hình hydrat hóa của các pha canxi silicat

Quá trình thủy hóa c ủa các pha canxi silicat là quá trình tỏa nhiệt Vì vậy có thể nghiên cứu cơ chế và động học hydrat hóa thông qua lượng nhiệt phát ra từ quá trình Có nhiều quan điểm cho rằng quá trình hydrat hóa c ủa xi măng pooc lăng có nhiều giai đoạn khác nhau, trong đó người ta chia ra các quá trình hydrat hóa và đ ặc trưng là quan điểm của [1, 2], chia quá trình hydrat hóa thành 5 giai đoạn:

- giai đoạn tỏa nhiệt mạnh trước cảm ứng

- giai đoạn cảm ứng

- giai đoạn đẩy nhanh hydrat hóa

- giai đoạn kìm hãm hydrat hóa

- giai đoạn khuếch tán

Giai đoạn tỏa nhiệt mạnh trước cảm ứng chỉ kéo dài trong vài phút, bắt đầu từ khi khuất trộn xi măng với nước (giai đoạn I) Lượng nhiệt tỏa ra rất nhanh là kết quả của phản ứng mãnh liệt trên bề mặt tiếp xúc giữa C3S với nước Pha lỏng xung quanh các hạt C3S nhanh chóng bão hòa gel C-S-H Gel C-S-H lúc đầu có C/S ~ 1, lớp màng gel c ủa sản phẩm hydrat hóa phủ trên bề mặt các hạt rắn C3S, ngăn chặn

sự xâm nhập của nước và phần lõi chưa hydrat hóa và sự vận chuyển sản phẩm hydrat hóa qua khoảng trống giữa các hạt Phản ứng hydrat hóa chậm lại, tốc độ tỏa nhiệt giảm đột ngột, quá trình hydrat hóa chuyển sang giai đoạn cảm ứng (giai đoạn II) Quá trình hydrat chuyển từ cơ chế phản ứng hóa học giữa C3S với nước trên bề mặt phân cách thành quá trình trao đổi vật chất qua lớp sản phẩm hydrat hóa với cơ chế khuếch tán dị thể

Trong giai đoạn cảm ứng, do nồng độ ion Ca++ và OH- tiếp tục tăng chậm nên vẫn xảy ra quá trình hình thành và phát triển các canxi silicat hydrat và canxi hydro xit Ca(OH)2 rất chậm Đến tận cuối giai đoạn cảm ứng vẫn chỉ có một phần nhỏ lượng C3S được hydrat hóa Khi các tinh thể canxi silicat hydrat phát triển đến một kích thước đủ lớn nào đó, màng gel phủ trên mặt C3S bị phá vỡ Khi đó thì nước lại tiếp túc xâm nhập vào lớp C3S chưa thủy hóa Giai đoạn thứ 3 – giai đoạn đẩy nhanh hydrat hóa bắt đầu xảy ra Ở giai đoạn này, vận tốc phản ứng hóa học giữa

C3S và nước lại đóng vai trò quyết định Sản phẩm hydrat vừa tạo ra được các tinh thể đang phát triển nhanh chóng hấp thu hết, nên lớp màng bảo vệ trên mặt các hạt

C3S không hình thành Trong giai đoạn này, Ca(OH)2 cũng kết tinh từ pha lỏng còn gel C-S-H tích tụ ở những khoảng trống trước đó Pha r ắn trong dung dịch tăng dần,

độ rỗng lại giảm Mạng liên kết giữa các tinh thể cũng được hình thành Giai đoạn đẩy nhanh hydrat hóa chính là giai đoạn đông kết của dung dịch xi măng

Khi các tinh thể hydrat được hình thành dồn dập với số lượng lớn thì hàm lượng C3S chưa hydrat hóa thấp dần, tuy nhiên, bề mặt lõi chưa hydrat hóa hết được nêm chặt dần, quá trình hydrat hóa vì thế cũng chậm dần Người ta gọi giai đoạn này là giai đoạn kiềm chế hydrat hóa Ở nhiệt độ thường giai đoạn này có thể kéo dài tới vài ngày

Tiếp theo giai đoạn kiềm chế hydrat hóa là giai đoạn mà quá trình khuếch tán vật lý đóng vai trò quyết định Ở giai đoạn này do độ rỗng giảm mạnh, hydrat hóa được tiếp tục với tốc độ thấp Mạng lưới cấu trúc của các sản phẩm hydrat hóa ngày càng đậm đặc Độ bền đá ngày càng phát triển Các tinh thể portlandit tiếp tục phát triển, còn các nhân C3S chưa hydrat hóa tiêu mất dần Ở nhiệt độ thường giai đoạn khuếch tán kéo dài trong một thời gian dài khó xác định Trong một số trường hợp người ta vẫn tìm thấy nhân khoáng chưa hydrat hóa hết trong đá xi măng sau nhiều năm đóng rắn

Trong quá trình hydrat hóa, các canxi silicat tạo ra các canxi silicat hydrat và Ca(OH)2:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2 SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 + ∆H

3 CaO SiO2 + 3H2O = 2 CaO SiO2.2 H2O + Ca(OH)2 + ∆H

Các nghiên cứu cho thấy, thành phần và mức độ kết tinh của các canxi silicat hydrat thay đổi trong một phạm vi khá rộng Thông thường chúng ở dạng kết tinh kém – dạng kết tinh rất mịn có góc cạnh không s ắc nết nên khó nhận diện và phân biệt Hầu hết các nghiên cứu cho thấy rằng: các canxi silicat hydrat của đá xi măng

có cấu trúc tương tự như c ấu trúc của một loại khoáng tự nhiên là tobermorit Tobemorit có thành phần khoáng trung bình được mô tả theo công thức C5S6H5 với khoảng cách ô mạng c (theo trục Z) là 1,1 nm

Cũng như tobemorit, các khoáng canxi silicat hydrat có cấu trúc 3 lớp giống như khoáng montmorillonit Nước nằm giữa các lớp là nước ở dạng phân tử Tùy thuộc vào độ ẩm môi trường xung quanh, hàm lượng nước này có thể thay đổi mà vẫn không phá vỡ cấu trúc khoáng Cũng tùy vào lượng nước mà kho ảng cách c

giữa các lớp thay đổi trong phạm vi từ 9,3 – 14 Ao Các nhà nghiên cứu cũng chia các canxi silicat thành 3 loại: C-S-H (I), C-S-H (II) và gel C-S-H

C-S-H (I) còn được ký hiệu C-S-H (B), là tập hợp các canxi silicat hydrat kết tinh không s ắc nét, có tỷ lệ CaO/SiO2 ~ 0,8 – 1,5 và có chứa 0,5 – 2,5 phân tử nước C-S-H (I) kết tinh dưới dạng các phiến mỏng C-S-H (I) có khoảng cách c 9,3 – 14

Ao Kho ảng cách này gi ảm khi tỉ lệ C/S giảm từ 1,5 xuống 0,8 [3] C-S-H (I) là khoáng khá bền nhiệt Khi được sấy ở nhiệt độ > 100oC nó biến đổi từ từ thành tobemorit và xonotlit hoặc hillebrandit Trong điều kiện đóng rắn nhiệt ẩm C-S-H (I) thường là sản phẩm trung gian [3, 4, 5] C-S-H (I) thậm chí có khả năng tồn tại trong thời gian ngắn ở nhiệt độ tới 200oC

C-S-H (II) được tạo thành từ các canxi silicat hydrat bán kết tinh, có C/S > 1,5 (1,5 – 2) chúng thuộc các canxi silicat hydrat có độ kiềm cao, các sản phẩm này khác nhau nhiều về tính chất và thường kết tinh kém hơn C-S-H (I) C-S-H (II) thường kết tinh dưới dạng sợi hoặc chùm sợi Đôi khi chúng kết tinh thành dải lá mỏng xoắn lại thành sợi, có độ dài tới 1 m, khoảng cách c nằm trong khoảng 9,8 – 10,6 Ao C-S-H (II) có bề mặt riêng 300 – 400 m2/kg thuộc loại kết tinh mịn Các sản phẩm C-S-H (II) khá bền vững, tuy nhiên ở nhiệt độ trên 110oC đến 120o

C nó biến đổi thành các khoáng khác như: C2SH (A), C2SH (B), C2SH (C) khi xi măng được đóng rắn ở nhiệt độ cao (>100o

C) Sản phẩm đ ầu tiên được tạo ra là dạng

C-S-H (II)

Gel C-S-H (II) có tỷ lệ C/S 1,5 có độ kiềm cao Gel C-S-H (I) có độ kiềm thấp được tạo ra ở giai đoạn đầu hydrat hóa Độ kiềm của gel C-S-H tăng dần theo mức độ hydrat hóa Thành phần hóa học và cấu trúc c ủa gel C-S-H có thể không đồng nhất theo toàn khối Gel C-S-H liên kết tạo những khối vật liệu xốp, có độ rỗng xấp xỉ 30% Gel C-S-H có thể có các hình dạng: hình khối tròn, hình ống, hình kim và các dạng vẩy, dày, mỏng không đều Trong đá xi măng gel C-S-H có kích thước hạt keo và có liên kết theo kiêu gel keo (kết bông hoặc keo tụ) Gel C-S-H là sản phẩm trung gian ở các nhiệt độ tới 200oC nhưng ở nhiệt độ khoảng 120o

C nó

bắt đầu tái kết tinh chuyển pha tạo thành khoáng C2SH (A) [5] Ngoài các khoáng canxi silicat hydrat còn có khoáng canxi hydroxit chiếm tới 20 – 25% thể tích [3, 4]

 Quá trình hydrat hóa của khoáng C3A và C4AF

Các pha aluminat, đặc biệt là C3A, là các pha có hoạt tính cao ở thời kỳ đầu hydrat hóa Mặc dù các pha này, về lượng thấp hơn nhiều so với các pha canxi silicat, nhưng chúng có ảnh hưởng lớn tới tính chất lưu biến của dung dịch xi măng

và sự phát triển cường độ tuổi sớm của đá xi măng

Trong quá trình hydrat hóa của C3A, có nhiều các canxi aluminat hydrat được tạo thành Nhiệt độ môi trường, bản chất và nồng độ các muối tan trong pha lỏng, tác dụng rất nhạy với thành phần sản phẩm hydrat hóa c ủa C3A Hiệu ứng nhiệt hydrat của C3A phụ thuộc vào thành phần sản phẩm cuối cùng và thay đổi trong một khoảng khá rộng 865 – 1100 kJ/kg

Giống như đối với C3S, bước hydrat hóa đầu tiên của C3A là phản ứng trên bề mặt phân cách rắn và nước Ở giai đoạn đầu, chủ yếu có các canxi aluminat hydrat :

C2AH8 và C4AH19 được tạo ra là lớp vỏ xốp chứa các phiến tinh thể lục giác Lớp xốp này không có khả năng chống xâm nhập của nước Vì vậy, phản ứng hydrat hoa xảy ra nhanh và đi đến cùng

Ở nhiệt độ thường quá trình trên xảy ra trong vài ngày Ở nhiệt độ cao hơn

C2AH8 và C4AH19 tồn tại trong thời gian ngắn C4AH19 khi ở môi trường độ ẩm thấp (10 – 12%) thường mất nước chuyển về dạng C4AH13 Pha lập phương C3AH6 là sản phẩm bền vững nhất được tạo thành từ C3A, nó có khoảng nhiệt độ ổn định từ

17 – 25oC

Quá trình hydrat hóa c ủa C3A xảy ra rất nhanh ở nhiệt độ cao Thực tế cho thấy, sau 1 ngày có 70 – 80% C3A đã hydrat hết Cơ chế này làm ảnh hưởng không tốt tới tính chất lưu biến của dung dịch xi măng, đ ặc biệt đối với xi măng bơm trám,

vì độ nhớt tăng nhanh sẽ gây khó khăn cho công tác bơm trám

Để kiểm soát quá trình hydrat hóa của C3A người ta cho thêm vào xi măng từ

3 – 5% thạch cao (tùy thuộc hàm lượng C3A) Khi tiếp xúc với nước, một phần thạch cao hòa tan (ở nhiệt độ thường, độ hòa tan của thạch cao ~ 2g/l) Các ion Ca2+

và SO42- tác dụng với OH- tạo hợp chất hydro trisunfoalumiat canxi

C3A + 3CaSO4 + 32H2O → C3A.3CaSO4.32 H2O (Ettringit)

Hợp chất trên gọi là ettringit Chính ettringit tồn tại dưới dạng tinh thể hình kim bao bọc trên bề mặt của C3A và hạn chế hydrat hóa Với sự có mặt của thạch cao, trên biểu đồ tỏa nhiệt của C3A xuất hiện giai đoạn cảm ứng Trong giai đoạn này, thạch cao giảm đi từng bước, ettringit tiếp tục kết tủa trên bề mặt của C3A Khi việc cung c ấp thạch cao bị cạn dần, quá trình làm chậm hydrat hóa ngớt đi và hydrat hóa cũng dần dần được khôi phục Khi nồng độ SO42-

giảm mạnh tới mức nhất định nào đó, ettringit trở nên không ổn định và chuyển về dạng canxi monosunfo aluminat hydrat:

3C3A.3CaSO4.32 H2O + 2 C3AH6 → 3(C3A.CaSO4.12 H2O) + 8 H2O

Phản ứng trên cũng xảy ra theo các kết hợp giữa ettringit với C3AH6 Khác với ettringit, canxi monosunfoaluminat hydrat không có tác d ụng làm chậm hydrat hóa của C3A do đó lượng C3A còn lại phản ứng như trường hợp không có thạch cao Khoáng C4AF hydrat chậm hơn C3A, sau 3 ngày chỉ có 50 – 70% được hydrat hóa Phản ứng hydrat hóa cũng xảy ra theo các sơ đồ phức tạp và tạo thành các tinh thể hydrat khác nhau:

4 CaO.Al2O3.Fe2O3 + 13 H2O = 4 CaO.Al2O3.Fe2O3.13H2O

4 CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O = 3CaO.(Al, Fe)2O3.6H2O + Ca(OH)2 + Fe2O3.3

H2O

Sản phẩm trung bình của quá trình hydrat hóa canxi alumoferrit có dạng

ở giai đoạn đầu lớn Nếu trong nước chứa SO4

và Ca(OH)2 thì sẽ tạo thành các hydro canxi sunfo aluminat dạng Tri- và Mono- sunfo, chứa Fe2O3 ở dạng dung dịch rắn

Kết luận: Phân tích quá trình và sản phẩm thủy hóa trên cho thấy, sản phẩm hydrat hóa của xi măng pooc lăng ở nhiệt độ 25 – 100oC là các dạng canxi silicat : C-S-H (I), C-S-H (II), gel C-S-H, các canxi aluminat hydrat C3AH6, C3(A,F).H6,

C4(A,F).H19, C3(A,F).H13-19, Ca(OH)2 các khoáng sunfoaluminat hydrat Theo nhiều tác giả khác, ở khoảng nhiệt độ này còn có c ả các pha C3SH2, C2SH(A), afivilit, Al(OH)3 với hàm lượng nhỏ và các muối trên cơ sở nhôm hydroxit

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hydrat hóa của xi măng:

Sự hydrat hóa c ủa xi măng có xu hướng thay đổi khi nhiệt độ và áp suất tăng

Ở nhiệt độ thấp từ 5oC đến 20o

C tốc độ hình thành C-S-H chậm, khoáng ettringite được hình thành với lượng lớn trong thời gian 12 giờ hydrat nhờ pha aluminate phản ứng với thạch cao [3]

Nguyên nhân chính của hiện tượng tăng tốc độ hydrat hóa khi tăng nhiệt độ và

áp suất là do tăng khả năng hòa tan, tăng hệ số khuếch tán của các phần tử tham gia phản ứng và làm tăng khả năng điện ly của nước

Để đánh giá mức độ hydrat hóa của các khoáng xi măng nói riêng và của xi măng nói chung, người ta hay dùng khái niệm độ hydrat hóa Độ hydrat hóa của dung dịch xi măng C3S (với lượng nước tiêu chuẩn) sau 12 giờ, ở nhiệt độ 0oC,

25oC và 50oC có giá trị tương ứng là 0%, 30% và 60% Điều này có nghĩa là: tốc độ hydrat hóa của xi măng poóc lăng tăng gấp đôi, khi tăng t ừ nhiệt độ thường lên đến nhiệt độ 50oC

Trong nghiên cứu của Butt IU.M [6] cũng rút ra kết luận: ở nhiệt độ 50 oC độ hydrat hóa c ủa β C2S và C3S tăng 1,5 đến 3 lần so với nhiệt độ thường Cũng ở nhiệt độ tương tự khoáng C3A và C4AF phản ứng mãnh liệt và kết thúc hydrat hóa trong thời gian từ 1 – 3 ngày

Idorn G.M [3], sau khi t ập hợp và phân tích công trình nghiên cứu của nhiều tác giả, cũng rút ra nhận xét: ở thời kỳ đầu đóng rắn tốc độ hydrat hóa tăng khi nhiệt

độ tăng 60 – 80o

C Ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 80oC trở lên) độ hydrat hóa ở tuổi muộn lại giảm so với mức đạt được trong điều kiện nhiệt độ thường

Theo [2 ], khi nghiên cứu độ bền của mẫu từ xi măng poóc lăng và khoáng

C3S, ở tuổi 1, 3, 7 và 28 ngày trong kho ảng nhiệt độ tạo mẫu và bảo dưỡng từ 0 -

100oC, nhận được kết quả: độ bền của đá tăng khi nhiệt độ tăng và đạt cực đại ở

60oC Ở nhiệt độ trên 60oC có hiện tượng suy giảm cường độ của đá xi măng, trong quá trình hydrat hóa, C2S và C3S tạo được các sản phẩm bền nhiệt, trong khoảng nhiệt độ <100oC, còn trong số các sản phẩm hydrat hóa của C3A và C4AF có sự chuyển pha trong khoảng nhiệt độ này

 Sản phẩm hydrat hóa chính c ủa xi măng poóc lăng ở nhiệt độ 25 - 100oC, là các dạng canxi silicat hydrat C-S-H(I), C-S-H(II), gel C-S-H, các canxi aluminat hydrat C3AH6, C3(AF)H6, C4(AF)H13-19, các canxi sunpho aluminat, Ca(OH)2

và CaCO3

 Nguyên nhân suy gi ảm độ bền và độ thấm của đá xi măng là sự tái kết tinh chuyển pha và kết tinh thứ cấp của các canxi silicat hydrat có độ kiềm cao (CaO/SiO2 1,5), và hình thành α – C2SH và - C2SH có độ bền và độ thấm thấp

2.3 Các tính chất quan trọng của xi măng giếng khoan

2.3.1 Nhu cầu nước của dung dịch xi măng giếng khoan

Dung dịch xi măng sử dụng trong bơm trám giếng khoan là dạng huyền phù chất kết dính – nước Ngoài xi măng poóc lăng, trong thành phần chất kết dính còn chứa các hạt phụ gia được nghiền mịn Trong huyền phù có thể có các chất vô cơ, hữu cơ, khí và chất tạo huyền phù không tan trong nước

Đặc điểm của dung dịch xi măng giếng khoan là sử dụng lượng nước lớn nhưng vẫn giữ được các tính năng công nghệ cần thiết Giới hạn hàm lượng nước phụ thuộc vào bản chất hóa học các cấu tử bột xi măng, mức độ nghiền mịn, giá trị

và hình dạng bề mặt thấm ướt Bảng 1.4.1 đưa các hệ số nước yêu c ầu Kb của các thành phần chính trong xi măng giếng khoan xác định lượng nước cho 1 đơn vị bề mặt vật liệu đáp ứng yêu c ầu bền lắng và linh động của dung dịch xi măng giếng khoan

Hệ số nhu cầu nước của các vật liệu khác nhau sử dụng trong thành phần xi măng giếng khoan:

Bảng 3 Hệ số nhu cầu nước của xi măng giếng khoan

3

.10-3Tối thiều Trung bình Tối đa Clanhke xi măng poóc lăng

1,4 1,0 1,1 1,0 1,5 1,1 3,2 1,1 1,0 0,8

1,7 1,2 1,2 1,1 1,7 1,2 3,5 1,3 1,2 1,0 Chất lượng giếng khoan phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của vật liệu trám giếng, c ụ thể là dung dịch xi măng Tính chất của dung dịch xi măng giếng khoan chịu ảnh hưởng các thông số cơ bản: tỷ trọng, độ linh động (tính chất lưu biến), và tốc độ chuyển hóa từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (đặc quánh) Dưới đây là các tính chất đặc trưng của dung dịch xi măng giếng khoan:

Tỷ trọng của dung dịch xi măng

Độ tách nước của dung dịch xi măng

Thời gian đông kết, thời gian đặc quánh của dung dịch xi măng

Độ bền cơ của đá xi măng

Độ thấm của đá xi măng

Độ thay đổi thể tích của đá xi măng

2.3.2 Tỷ trọng dung dịch xi măng giếng khoan

Tỷ trọng dung dịch xi măng có vai trò quan trọng trong quá trình bơm trám giếng khoan Những thành giếng có áp suất phá vỉa thấp, thì xi măng phải có tỷ trọng đủ nhỏ để không tạo ra áp suất phá vỡ vỉa Dung dịch xi măng có tỷ trọng thấp được tạo ra bằng cách bổ sung các phụ gia có bề mặt riêng lớn và khả năng hút nước nhiều để thay thế một phần cho xi măng nền

Tỷ lệ nước/xi măng lớn sẽ góp phần làm giảm tỷ trọng của dung dịch xi măng bơm trám, nhưng đồng thời làm tăng độ tách nước, làm giảm độ bền đá xi măng

2.3.3 Độ linh động của dung dịch xi măng

Dung dịch xi măng không tuân theo quy luật độ nhớt của chất lỏng Newton

Vì trong dung dịch xi măng ngoài lực ma sát nội của pha lỏng đồng nhất còn có lực tương tác của các hạt với nhau Dung dịch giếng khoan nằm ở trạng thái tĩnh để chảy được cần phải đ ặt một ứng suất ban đầu nào đó được gọi là ứng suất tĩnh dịch chuyển giới hạn ký hiệu là θ

Ứng suất tĩnh dịch chuyển θ đối với dung dịch xi măng poóc lăng là khoảng

10 – 10-3 Pa Đó là lực cản cấu trúc không phá hủy đối với thời điểm nào đó của dung dịch xi măng

Sự chảy có nghĩa là sự phá hủy cấu trúc Khi độ chảy càng lớn thì c ấu trúc càng bị phá hủy nhiều Theo tốc độ của độ chảy thì c ấu trúc sẽ ngày càng bị phá hủy nhiều hơn và ở một tốc độ nào đó thì bị phá hủy hoàn toàn Khi đó trong một đơn vị thời gian, đồng thời với một số lượng tiếp xúc bị phá hủy sẽ xuất hiện tiếp xúc mới Trong trạng thái đó sự chảy của dung dịch xi măng poóc lăng tuân thủ theo phương trình Xvedoba – Bingama

Đặc điểm của dung dịch xi măng giếng khoan là sự bất ổn định của giá trị

và theo thời gian, vì thế các giá trị này chỉ có thể xác định tương đối Tùy theo tỷ lệ nước/xi măng mà các tham số lưu biến của Xvedoba – Bingama của dung dịch xi măng giếng khoan tăng theo thời gian và dao động ở kho ảng = 20 – 50 Mpa/giây và = 10 – 80 Pa Tỷ lệ nước/xm là đại lượng ảnh hưởng lớn nhất đến các thông số này

Khi giảm tỷ lệ nước/xm thì tăng đáng kể so với Khi tăng bề mặt riêng của các hạt clanke xi măng poóc lăng thì tăng nhiều so với Ngược lại, khi đưa vào các phụ gia mịn có bề mặt riêng lớn hơn các hạt clanhke xi măng nhưng với ho ạt tính hóa học kém hơn thì tăng trong khi đó giảm Với sự tăng nhiệt

độ đầu tiên giảm sau đó tăng chậm còn tăng nhanh

Khi đưa vào dung dịch xi măng giếng khoan các phụ gia dẻo hóa đồng thời là các chất làm chậm quá trình đóng r ắn thì giảm ít còn giảm nhiều Các phụ gia giảm tách nước, chậm đóng rắn sẽ làm tăng đồng thời giảm

Các chất phụ gia làm giảm tăng tốc đóng rắn tùy theo bản chất của nó thường thì đồng thời tăng và nhưng cũng có thể làm tăng tốc khi tăng chậm Trong thực tế, để ta sử dụng phương pháp phổ biến nhất để đo tính lưu biến của dung dịch xi măng giếng khoan là phương pháp xác định độ chảy tỏa

2.3.4 Thời gian đặc quánh của dung dịch xi măng giếng khoan

Trong thực tế nghiên c ứu tính linh động của dung dịch xi măng giếng khoan người ta sử dụng rộng rãi phương pháp đo độ nhớt quy ước theo lực cản của dung dịch xi măng đối với sự dịch chuyển của cánh khuấy ở tốc độ dịch chuyển không đổi Đại lượng này được gọi là thời gian đặc quánh và được thể hiện qua độ nhớt đo

bằng thiết bị consitometer Giá trị độ nhớt cho thấy dung dịch xi măng đã cho có lực cản như thế nào đối với việc khấy trộn

Sự tăng tốc đáng kể độ nhớt của dung dịch xi măng ở nhiệt độ cao và áp suất được quan sát khi sử dụng nó ở các giếng khoan sâu Các nhà nghiên cứu cho thấy: nhiệt độ và áp suất là 2 yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến thời gian đặc quánh của dung dịch xi măng Nhiệt độ càng cao, thời gian đặc quánh càng gi ảm, khi nhiệt

độ < 100o

C, thời gian đ ặc quánh c ủa dung dịch có thể giảm xuố ng còn bằng ½ so với thời gian đ ặc quánh khi ở nhiệt độ tiêu chuẩn Áp suất càng tăng, thời gian đ ặc quánh của dung dịch càng giảm

Thành phần khoáng hóa c ủa xi măng cũng là một trong những yếu tố quan trọng đối với thời gian đặc quánh Nếu thành phần clanke với hàm lượng C3A lớn, thời gian độ nhớt của dung dịch xi măng tăng rất nhanh Độ mịn của xi măng ảnh hưởng rất lớn đến thời gian đặc quánh của dung dịch xi măng giếng khoan Nếu các hạt xi măng có kích thước lớn sẽ tăng thời gian đặc quánh ban đầu, ngược lại sẽ làm xấu tính ổn định của dung dịch xi măng

2.3.5 Tách nước và độ thấm của xi măng giếng khoan

Dung dịch xi măng có hiện tượng lắng đọng, có dạng phân chia lớp là do chênh lệch gradien tỷ trọng của dung dịch từ đỉnh và đáy của thùng chứa Hiện tượng này gây ra tách nước và tính không đồng nhất của dung dịch

Khi hạt xi măng ở trạng thái ở trạn thái phân tán không đều, chúng tương tác với nhau qua lực tĩnh điện, hình thành dạng cấu kết cụm làm tăng trọng lượng của các hạt, xuât hiện hiện tượng lắng đọng, nước bị tách ra khỏi dung dịch sẽ tập trung vào một chỗ và tạo lớp

Lượng nước tách ra từ dung dịch xi măng trong giếng khoan phụ thuộc vào thành phần khoáng và độ mịn, tỷ lệ nước/xm, nhiệt độ, áp suất chênh lệch và bề mặt tiếp xúc của đ ất đá trên thành giếng khoan Trong kho ảng vành xuyến dung dịch xi măng luôn tiếp xúc với các loại đất đá có độ thẩm thấu lớn và luôn có sự chênh lệch

áp suất giữa cột dung dịch xi măng với thành giếng khoan Cột dung dịch xi măng

xuất hiện hiện tượng thẩm thấu vỉa Lượng nước thừa sẽ đi vào vỉa và mang theo xi măng, kết quả là dung dịch xi măng thiếu nước sẽ đặc quánh lại, tao nên nhưng túi nước – xi măng, giảm thể tích cột vữa bên ngoài ống chống, hiện tượng này sẽ dẫn đến tình trạng thay đổi tính chất lưu biến của dung dịch

Nếu áp suất trong các vỉa tầng cao hơn trong dung dịch xi măng sẽ làm cho sự dịch chuyển của các chất lỏng và khí qua dung dịch xi măng chưa đóng r ắn kèm theo sự phá hủy cấu trúc Từ đó dẫn đến hình thành các vi kênh trong c ấu trúc đá xi măng đã đóng rắn có thể tồn tại các đường xuyên cho các cấu tử vỉa xâm thực Tính thấm của dung dịch xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau: bản chất thành phần khoáng của xi măng, phụ gia, độ mịn, điều kiện môi trương làm việc

Trong quá trình bơm trám việc đảm bảo xi măng không thẩm thấu vào vỉa là vấn để hết sức quan trọng

2.4 Tác dụng của phụ gia hợp chất sắt trong xi măng giếng khoan

Phụ gia chứa sắt có tác dụng tăng cường độ, độ dẻo dai và bền nhiệt Theo một nghiên cứu của Nick C Collier, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, hydroxit sắt tham gia phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng tạo thành các khoáng dạng ettringite có sự thay thế của sắt và có tính chất kết dính, kích thước nhỏ nên tăng độ bền của đá xi măng:

Fe(OH)3 + CaSO4.2H2O  Ca6Fe2(SO4)3(OH)2.nH2O

Ngoài ra trong nghiên c ứu của minh, Nick C Collier còn tìm thấy một dạng sản phẩm kết tinh khi có mặt hydroxit sắt là Ca3AlFe(SiO4)(OH)8 Mặc dù vơi số lượng không lớn nhưng cũng đóng góp phần nào trong việc cải thiện cơ tính đá xi măng

Như vậy ngoài khả năng đóng góp các khoáng kết dính, phụ gia sắt đưa vào còn làm giảm lượng sản phẩm Ca(OH)2 - là nguyên nhân gây hiện tượng trương nở thể tích về sau có ảnh hưởng xấu tới độ bền của đá xi măng - trong quá trình hydrat

Hệ sắt là chất kìm hãm quá trình hydrat hóa c ủa xi măng và tạo cấu trúc gel không bền vững Nó được dùng như một chất kìm hãm trong thời gian bơm trám giếng khoan

Sắt tuy có phản ứng với các thành phần thủy hóa của xi măng nhưng phản ứng chậm ở nhiệt độ thường nên ở giai đoạn đ ầu chúng chính là các phần tử làm gián đoạn sự tạo khung cấu trúc làm chậm quá trình chuyển hóa từ hệ lỏng sang rắn Do

đó kéo dài được thời gian đông kết và thời gian đặc quánh

Ngoài ra, các hạt keo sắt có kích thước rất nhỏ, hình cầu, do đó chúng có khả năng phân tán trong hệ xi măng – phụ gia – nước rất tốt Sự phân tán các hạt hình cầu trong hệ làm tăng khả năng trượt lên nhau của các hạt trong hệ, hay nói cách khác là làm giảm lực ma sát nội tại, tăng tính lưu biến của dung dịch xi măng Điều này rất quan trọng trong quá trình bơm trám giếng khoan

Ở nhiệt độ cao hệ Fe2+

/Fe3+ có vai trò quan trọng trong việc làm tăng các khoáng chịu nhiệt của đá xi măng Các nghiên cứu cho thấy khoáng CF có khả năng chịu nhiệt và chịu áp tốt

2.5 Cấu trúc bê tông của vữa xi măng

Xi măng được chế tạo bằng cách tán nghiền các hạt vật liệu Clinker dưới tác dụng của những va chạm rất mạnh nhằm phân chia những hạt vật liệu này thành những phần tử có kích thước rất nhỏ dao động trong khoảng 1 – 100 μm Sự tán nghiền này kèm theo sự cắt đứt các liên kết tĩnh điện của vật liệu, dẫn đến hiện tượng tồn tại đồng thời những nơi tích điện dương và những nơi tích điện âm trên bề mặt hạt xi măng Nhìn chung, các hạt xi măng thường tích điện âm nhiều hơn (khoảng 3 lần) so với tích điện dương, các điện tích âm thường tập trung ở những chỗ bằng phẳng và ngược lại, các điện tích dương thường tập trung ở những nơi góc cạnh của hạt xi măng Hiện tượng này một mặt là do các hạt tích điện dương bị trung hòa một phần bởi các electron tự do trong môi trường, mặt khác là do các hạt điện tích âm thường có kích thước lớn hơn các hạt điện tích dương [7]

Xi măng Portland được cấu tạo chủ yếu từ 4 thành phần khoáng : 3CaO.SiO2 (ký hiệu C3S), 2CaO.SiO2 (ký hiệu C2S), 3CaO.Al2O3 (ký hiệu C3A) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ký hiệu C4AF), ngoài ra còn một số thành phần khác chiếm tỉ lệ nhỏ như CaO, CaCO3, MgO, K2SO4…

Khi xi măng được trộn với nước, các thành phần này ngay lập tức bị điện ly, dung dịch nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa bởi các điện tích Ca2 +, Na+, K+,

SO42-, OH-, H9O4+… Chính vì vậy, trong vữa xi măng và bê tông, ngoài những tương tác không mang điện luôn luôn tồn tại giữa các nguyên tử và phân tử (lực hút Van der Waals, lực đẩy Born) còn có tương tác tĩnh điện giữa các điện tích và các hạt xi măng dưới đây

Tương tác tĩnh điện trong dung dịch chứa các ion và các hạt rắn tích điện được mô tả đầu tiên bởi Gouy-Chapmann [8] Theo tác giả, các ion trong dung dịch, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện, đến bám vào bề mặt các hạt rắn tạo thành một lớp điện tích có chiều dày 500 Å được gọi là lớp khuyếch tán Gouy-Chapmann Mật độ điện tích trong lớp khuyếch tán thay đổi theo hàm số mũ với kho ảng cách từ điểm đ ang xét đến bề mặt hạt rắn để tiến tới mật độ điện tích trung bình trong dung dịch Đối với hạt xi măng phần lớn tích điện âm, lớp khuyếch tán vì vậy chủ yếu tích điện dương

Một lý thuyết khác mới hơn được vận dụng trong nhiều nghiên cứu về sau

là lý thuyết của Stern Theo tác giả, các ion trong dung dịch đến bám vào bề mặt hạt rắn tạo thành hai lớp điện tích Lớp bên trong được gọi là lớp Stern bao gồm các điện tích mang dấu ngược với dấu điện tích của hạt rắn