Одним из особых видов цемента, необходимых при производстве строительных работ, являются тампонажные цементы, имеющие разнообразные составы и свойства. Массовое использование там-понажных цементов связано с производством буровых работ, требующих цементации разбуриваемых пород.
Широкий объем бурения связан с выявлением залегания нефти, газа, других полезных ископаемых, определения водоносных горизонтов, пород, залегающих на разных глубинах. Особенности пробуривания толщ грунтов и горных пород (их глубина, сложение, наличие водоносных горизонтов, состав воды в них, температура в скважинах) вызывают необходимость изготовления цементов с различными свойствами. Так, при проходе скважин в трещиноватых породах применяют цемент с наполнителем — волокнистым асбестом, сокращающим расход цемента. Без такого наполнителя большое количество цемента уходит в породу по ее трещинам. Этот цемент назван волокнистым, в нем содержится около 3% асбестового волокна, добавляемого к цементу в мельницу в процессе помола.
К тампонажным цементам предъявляют следующие требования: стойкость цемента в конкретных условиях работы в скважинах; быстрое нарастание прочности до заданных величин и создание высокой герметичности скважин.
Для приготовления тампонажных растворов с минимальным количеством воды (примерно 40—45% воды) должна обеспечиваться стабильность цементного теста, его транспортабельность и устойчивая работа перекачивающих устройств; цементное тесто должно сохранять заданную текучесть на весь период работ, связанных с его приготовлением и перемещением к месту последующего твердения.
Так, для тампонирования «холодных» скважин, в которых температура ниже 40° С, применяют портландцемент с высоким содержанием минерала С3А и гипса; тонкомолотый портландцемент с высоким содержанием минерала C3S и гипса. Эти цементы обеспечивают нужную скорость схватывания раствора и быстрый рост прочности. Наличие в них повышенного количества гипса обеспечивает заданную пластичность раствора.
Для тампонирования «горячих» скважин, в которых температура выше 40° С, но не превышает 75° С, применяют портландцемент с замедленным схватыванием, что обеспечивает стабильность заданной пластичности растворов на период производства работ. Цементы, отвечающие указанным условиям, содержат минимальное количество минерала С3А (или совсем его не содержат), повышенное C2S и C4AF и относительно немного минерала C3S.
Если температура в скважинах выше 75° С, для замедления сроков загустевания растворов необходимо применять цементы с иной минералогической характеристикой. Для указанных условий были предложены вяжущие, представляющие смесь тонкоразмоло-тых доменных шлаков с песком и высушенным нефелиновым шламом и шлаком (или песком). Эти вяжущие названы цементами для сверхглубоких скважин.
При производстве тампонажных работ в нефтяных скважинах, выделяющих значительное количество газа, необходимо повысить плотность цемента, для этого в него вводят минеральные порошки с большей плотностью (до 40—60% гематита или барита). Эти цементы названы утяжеленными. Повышение плотности цемента связано с необходимостью ввести в скважины глинистый раствор повышенной плотности (2200—2300 кг/м3) —промыть скважины. Следовательно, для последующего введения в скважину цементного раствора важно не допустить смешения растворов (проникания глинистого раствора в цементный), чтобы не снизить расчетную прочность цементного камня.
Один из таких утяжеленных цементов разработан в Гипроцемен-те (К. Н. Зильберманом), в минерале C2S которого содержится а виде твердого раствора силикат бария 2BaO-Si02.
Повышение водостойкости такого цемента достигается введением в его состав гипса. Такой цемент назван гипсобариевым. Для тампонажных работ иногда применяют жаростойкие цементы, которые приготавливают на основе глиноземистых цементов с огнеупорными наполнителями заданной гранулометрии (например, магнезитом, шамотом). Такие цементы необходимы для тампонирования скважин, устраиваемых при подземной газификации углей (идея которой выдвинута в 1888 г. Д. И. Менделеевым).
Тампонажные портландцемента (ГОСТ 1581—63) предназначены к использованию в холодных и горячих скважинах. В первом случае цемент испытывают после 2 сут. твердения при температуре 22±3° С, а во втором — при 75±3° С. Начало схватывания цемента для холодных скважин при указанной температуре и В/Ц=0,5 должно наступать не ранее чем через 2 ч, для горячих скважин — не ранее чем через 1 ч 45 мин. У образцов-балочек размером 40Х40Х X 160 мм из цементного теста с расплывом конуса не меньше 180 мм предел прочности через 2 сут. твердения в холодных скважинах должен быть не менее 27, в горячих — не менее 62 кГ/см2 (10-1 МПа).
В ГОСТе на тампонажный портландцемент указано, что он является разновидностью портландцемента. Поэтому кроме требований, типичных для портландцементов, в ГОСТе приведены специфические требования, например, к количеству ангидрида серной кислоты, окиси магния и др. Для холодных скважин допускается не более 15% активных минеральных добавок, для горячих содержание добавок в цементе зависит от их природы. Эти добавки должны быть только осадочного происхождения; их можно заменить гранулированным доменным шлаком в количестве, не превышающем 15%. Инертные добавки в обоих видах цемента не должны превышать 10%; для холодных скважин рекомендуется применять кварцевый песок и кристаллический известняк, для горячих — только кварцевый песок.