Stanis³aw Stryczek*, Witold Brylicki**, Rafa³ Wiœniowski* ZACZYNY USZCZELNIAJ CE NOWEJ GENERACJI O WYSOKIEJ TRWA OŒCI***

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NFT GZ TOM 23/ Stanis³aw Styczek*, Witold ylicki**, Rafa³ Wiœniowski* ZCZYNY USZCZELNIJ CE NOWEJ GENERCJI O WYSOKIEJ TRW OŒCI*** 1. WSTÊP Jednym z najbadziej istotnych kyteiów twa³oœci zaczynów uszczelniaj¹cych aplikowanych metodami iniekcji otwoowej jest zapewnienie odpowiedniego sk³adu fazowego stwadnia³ego zaczynu oaz uzyskanie mikostuktuy o mo liwie najni szej poowatoœci ogólnej i najni szym poziomie udzia³u ci¹g³ych poów kapilanych, a tak e minimalnej pzepuszczalnoœci. Wpowadzona nowa wesja cementowej nomy euopejskiej PN-EN obejmuje nowe odzaje badzo ekonomicznych cementów wielosk³adnikowych CEM V/ i CEM V/ zawieaj¹cych pzy udziale 20 40% klinkieu potlandzkiego stosunkowo wysok¹ zawatoœæ dodatków hydauliczno-pucolanowych w postaci ganulowanego u la wielkopiecowego i pucolan natualnych oaz pucolany pzemys³owej w postaci popio³u lotnego kzemionkowego ze spalania wêgla kamiennego. Zaczyny spoz¹dzane na cementach CEM V spe³niaj¹ w najwy szym stopniu wymagania twa³oœci podczas ekspozycji w waunkach oddzia³ywania silnie minealizowanych wód z³o owych, ale ich w³aœciwoœci mog¹ byæ dodatkowo wzmacniane np. pzez wpowadzenie do zaczynu innych dodatków minealnych. 2. CEMENTY WIELOSK DNIKOWE CEM V Dodatki minealne stanowi¹ jeden z g³ównych sk³adników cementów powszechnego u ytku (PN-EN 197-1). * Wydzia³ Wietnictwa, Nafty i Gazu GH, Kaków ** Wydzia³ In ynieii Mateia³owej i Ceamiki GH, Kaków *** Paca zealizowana w amach pojektu badawczego KN o numeze 4T

2 Wpowadzenie do sk³adu cementu odpowiednio dobanych dodatków minealnych umo liwia modyfikacjê wielu jego w³aœciwoœci, któe mog¹ byæ zastosowane w pacach geoin ynieyjnych zwi¹zanych uszczelnianiem i wzmacnianiem oœodka guntowego lub masywu skalnego za pomoc¹ zaczynów uszczelniaj¹cych. Wymagania jakie musz¹ spe³niaæ cementy chaakteyzuj¹ce siê specyficznymi w³aœciwoœciami u ytkowymi, zawate s¹ w pzygotowanym pojekcie nomy P PN :. specjalny. Sk³ad, wymagania i kyteia zgodnoœci. Pzy opacowaniu popozycji nomy wykozystano za³o enia do pojektów nom euopejskich dotycz¹cych cementów specjalnych, opacowane pzez Euopejski Komitet Nomalizacji CEN oaz nomê niemieck¹ DIN 1164:2000 specjalny. Sk³ad, wymagania, atest zgodnoœci, a tak e polskie doœwiadczenia z podukcji i stosowania cementów zawieaj¹ce popio³y lotne kzemionkowe (V). W pojekcie nomy wymienione s¹ cechy specjalne tego typu spoiw, takich jak: niskie ciep³o hydatacji, wysoka odponoœæ na siaczany, niska zawatoœæ alkaliów. y wielosk³adnikowe CEM V wed³ug nomy PN-EN mog¹ wystêpowaæ w dwóch odmianach jako (tab. 1): 1) CEM V/, 2) CEM V/. Tabela 1 Zawatoœæ pocentowa sk³adników g³ównych i dugozêdnych Sk³adniki g³ówne i dugozêdne CEM V/ wed³ug nomy PN-EN CEM V/ wed³ug nomy PN-EN [% wag.] Klinkie (K) u el wielkopiecowy (S) Pucolana (P, Q) oaz popió³ lotny kzemionkowy (V) Sk³adniki dugozêdne (egulato czasu wi¹zania) y z dodatkiem pucolanów posiadaj¹ mniejsze ciep³o hydatacji oaz zwiêkszon¹ odponoœæ na szkodliwe dzia³anie wód s³odkich i moskich. y te stosuje siê tam, gdzie pzejawia siê szkodliwe dzia³anie wód polegaj¹ce na agesji soli siaczanowych. y te chaakteyzuje to, e poces twadnienia pzebiega wolniej ni w pzypadku czystych cementów potlandzkich. Wytzyma³oœæ tych cementów w pocz¹tkowych okesach twadnienia jest mniejsza od wytzyma³oœci cementu potlandzkiego CEM I. Zasadnicze eakcje pomiêdzy pucolan¹ a cementem pzebiegaj¹ w póÿniejszych okesach twadnienia i w zwi¹zku z tym wspomniane ó nice wytzyma³oœci malej¹ z biegiem czasu. Zdaza siê, e koñcowa wytzyma³oœæ stwadnia³ych zaczynów cementowych pzewy sza wytzyma- ³oœæ zaczynów z czystego cementu potlandzkiego [1, 3, 6]. 452

3 Popió³ jako dodatek minealny modyfikuje wiele w³aœciwoœci cementów. Wyd³u a ich czasy wi¹zania i wp³ywa na wytzyma³oœæ, któa chaakteyzuje siê doœæ woln¹ dynamik¹ w fazie pocz¹tkowej. W d³u szym okesie dojzewania wytzyma³oœæ cementów z popio- ³em osi¹ga watoœci pzewy szaj¹ce wytzyma³oœæ na œciskanie np. cementu potlandzkiego tej samej klasy wytzyma³oœciowej. Na czas wi¹zania wp³ywa zawatoœæ popio³u w cemencie oaz tempeatua. Natomiast wzost tempeatuy powoduje skócenie czasu wi¹zania. Do istotnych w³aœciwoœci cementów zawieaj¹cych popió³ lotny nale y ównie zaliczyæ wysok¹ odponoœæ na koozyjne oddzia³ywanie œodowisk chemicznych, wysok¹ wodoszczelnoœæ oaz oganiczony skucz. O podwy szonej odponoœci na agesjê chemiczn¹ cementu z dodatkiem popio³u lotnego decyduje pzede wszystkim [2, 4]: oganiczenie zawatoœci faz klinkieowych podatnych na koozjê, tj. glinianu tójwapniowego C 3 w sk³adzie cementu, co wi¹ e siê ze zmniejszeniem udzia³u klinkieu w sk³adzie cementu na zecz popio³u; zmniejszenie zawatoœci Ca(OH) 2 w stwadnia³ej matycy spoiwowej; zmiana mikostuktuy stwadnia³ego zaczynu cementowego w wyniku pzebiegu eakcji pucolanowej popio³u lotnego; doszczelnienie stuktuy pzez podukty eakcji pucolanowej niehydatyzowane cz¹stki popio³u lotnego. 3. DNI LORTORYJNE Pzedmiotem badañ by³o okeœlenie wp³ywu dwóch odmian cementu specjalnego wielosk³adnikowego CEM V ( i ) na paamety technologiczne œwie ych i stwadnia³ych zaczynów uszczelniaj¹cych. Z cementów tych spoz¹dzono zaczyny uszczelniaj¹ce o nastêpuj¹cych wspó³czynnikach wodno-cementowych: 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2. adania laboatoyjne paametów technologicznych zaczynów uszczelniaj¹cych pzepowadza siê w opaciu o poni sze nomy Polska Noma PN-85/G Wietnictwo. y i zaczyny cementowe do cementowania w otwoach wietniczych. PI Recommended Pactice fo Testing Oil-Well s and dditives. PI RP 10. pil PN-EN Czêœæ 1. Sk³ad, wymagania i kyteia zgodnoœci dotycz¹ce cementów powszechnego u ytku, Polska Noma PN-EN Metody badania cementu. Oznaczanie wytzyma³oœci, gudzieñ PN-EN ISO Pzemys³ naftowy i gazowniczy. y i mateia³y do cementowania otwoów. Czêœæ 2. adania cementów wietniczych, PN-EN ISO Pzemys³ naftowy i gazowniczy. y i mateia³y do cementowania otwoów. Czêœæ 1. Specyfikacja. 453

4 4. WYNIKI DÑ LORTORYJNYCH Wp³yw wspó³czynnika wodno-cementowego na paamety technologiczne œwie ych zaczynów cementowych pzedstawiono w tabelach 2 4. Gêstoœæ zaczynów zmniejsza siê waz ze wzostem wspó³czynnika w/c. Zawatoœæ popio³u w cemencie ównie ma wp³yw na ten paamet. Z oznaczeñ wynika, e zaczyny na osnowie cementu posiadaj¹ wiêksz¹ gêstoœæ ni zaczyny zaobione na cemencie (30% popio³u). Oznacza to, e wzost zawatoœci popio³u w cemencie powoduje zmniejszenie jego gêstoœci. Najwiêkszy wp³yw na wielkoœæ sedymentacji ma wspó³czynnik w/c; im wspó³czynnik wy szy tym sedymentacja wiêksza. Zaczyny spoz¹dzone na cemencie posiada³y mniejsz¹ sedymentacjê, ni zaczyny zaobione na osnowie cementu. Gêstoœæ [kg/m 3 ] Tabela 2 Paamety technologiczne zaczynów cementowych Sedymentacja [%] Rozlewnoœæ [mm] Lepkoœæ wzglêdna [s] Filtacja [ml/s] ,00 0, /15 33/ ,00 0, /32 71/ ,00 0, ,96 36,37 104/23 100/ ,78 5, ,67 17,83 138/24 150/ ,12 14,60 > 260 > ,97 13,64 164/26 174/ ,89 19,40 > 260 > 260 9,99 11,56 178/19 198/33 Tabela 3 Czasy wi¹zania zaczynów uszczelniaj¹cych Pocz¹tek wi¹zania Koniec wi¹zania Czas wi¹zania 4h44min 4h58min 7h14min 7h58min 2h30min 3h00min 5h12min 6h40min 8h12min 10h50min 3h00min 4h10min 6h18min 7h19min 10h28min 12h49min 4h10min 5h30min 12h16min 13h34min 20h16min 22h54min 8h00min 9h20min 19h59min 21h38min 32h39min 35h28min 12h40min 14h50min 2h13min 27h47min 43h23min 47h47min 18h10min 20h00min 454

5 Tabela 4 Paamety eologiczne dla ó nych modeli eologicznych zaczynu cementowego (CEM V/) Lepkoœæ plastyczna [Pa s] Typ modelu eologicznego inghama Oswalda de Waele Casonna Ganica p³yniêcia [Pa] konsystencji k [Pa s n ] Wyk³adnik potêgowy n Lepkoœæ plastyczna [Pa s] Ganica p³yniêcia [Pa] 0, ,1511 0,9252 5,5482 0,5299 0,9863 0, ,4248 0,9468 0, ,3443 0,9849 2,4033 0,5257 0,9913 0,0680 4,3147 0,9941 0,0802 8,1247 0,9852 1,9619 0,5237 0,9904 0,0588 3,2458 0,9949 0,0165 0,1323 0,9884 1,2755 0,3514 0,9420 0,0092 1,8420 0,9754 0,0132 0,4979 0,9880 0,4881 0,4512 0,9378 0,0080 0,8107 0,9849 0,0072 1,0656 0,9539 0,2484 0,4858 0,9924 0,0052 0,4398 0,9722 Z tabeli 2 wynika, e wspó³czynnik w/c posiada najwiêkszy wp³yw na ozlewnoœæ zaczynów. Im wy sza watoœæ wspó³czynnika w/c tym zaczyn posiada wiêksz¹ ozlewnoœæ. Zaczyny spoz¹dzone na osnowie cementu posiadaj¹ wiêksz¹ ozlewnoœæ ni zaczyny zaobione za cemencie. Najwiêkszy wp³yw na watoœæ lepkoœci ma watoœæ wspó³czynnika wodno-cementowego. Im wy sza jego watoœæ, tym lepkoœæ pozona maleje. Zaczyny na osnowie cementu posiadaj¹ mniejsze watoœci ni zaczyny spoz¹dzone na cemencie. Wzost filtacji nastêpuje pzy wzoœcie wspó³czynnika w/c. Zawatoœæ popio³u lotnego ównie ma wp³yw na ten paamet. Zaczyny spoz¹dzone z cementu chaakteyzuj¹ siê wiêksz¹ filtacj¹ ni zaczyny wykonane z cementu. Najwiêkszy wp³yw na czas wi¹zania wspó³czynnik wodno-cementowy. Waz ze wzostem jego watoœci wyd³u a siê czas wi¹zania. Najkótszym czasem wi¹zania chaakteyzowa³y siê zaczyny o wspó³czynniku w/c ównym 0,4 (w ganicach 2h 2h 30 min), a najd³u szym zaczyny o w/c ównym 1,2 (od 16 h 40 min do 20 h 00 min). Nie bez znaczenia jest te zawatoœæ popio³u kzemionkowego w cemencie. Z wyników pzedstawionych w tabeli 3 widaæ, e zaczyny cementowe spoz¹dzone na osnowie cementu posiadaj¹ kótsze czasy wi¹zania ni zaczyny zaobione na cemencie. Wyniki obliczeñ paametów eologicznych dla ka dego z badanych cementów pzedstawiono w tabeli 4 dla cementu oaz w tabeli 5 dla cementu. Na podstawie watoœci wspó³czynników analizowanych eceptu stwiedzono, e najlepsze dopasowanie modelu eologicznego do danych pomiaowych uzyskano dla modelu Cassona. Wzost wspó³czynnika w/c, czyli zmniejszenie koncentacji cementu w zaczynach, powoduje zmniejszenie lepkoœci zaczynów. Na ten paamet wp³ywa ównie zawatoœæ pocentowa popio³u w cemencie. Z pzedstawionych w tabelach 4 i 5 obliczeñ wynika, e mniejszymi watoœciami lepkoœci plastycznych chaakteyzuj¹ siê zaczyny spoz¹dzone z cementu. 455

6 Tabela 5 Paamety eologiczne dla ó nych modeli eologicznych zaczynu cementowego (CEM V/) Lepkoœæ plastyczna [Pa s] Typ modelu eologicznego inghama Oswalda de Waele Casonna Ganica p³yniêcia [Pa] konsystencji k [Pa s n ] Wyk³adnik potêgowy n Lepkoœæ plastyczna [Pa s] Ganica p³yniêcia [Pa] 0, ,1488 0,9235 6,2071 0,5213 0,9884 0, ,0115 0,9454 0, ,0715 0,9630 3,9503 0,4846 0,9966 0,0814 6,8714 0,9811 0,0660 9,0184 0,9855 2,5733 0,4610 0,9836 0,0423 4,5109 0,9957 0,0205 2,1667 0,9934 0,7932 0,4343 0,9408 0,0129 1,1281 0,9959 0,0102 1,3864 0,9914 0,5764 0,3810 0,9303 0,0059 0,8000 0,9938 0,0079 0,7660 0,9878 0,2555 0,4590 0,9450 0,0053 0,3552 0,9931 Tabela 6 Wytzyma³oœci na zginanie zaczynów cementowych Wytzyma³oœæ na zginanie [MPa] 1 dzieñ 2 dni 7 dni 14 dni 21 dni 28 dni < 1,29 < 1,29 3,68 3,29 6,77 5,65 7,94 6,39 9,37 8,79 9,94 9,18 < 1,29 < 1,29 2,12 1,98 4,15 4,10 5,87 5,21 7,19 6,64 8,03 7,01 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 3,17 2,43 3,93 3,75 5,12 4,41 5,38 4,67 < 1,29 < 1,29 1,41 < 1,29 1,87 1,83 2,46 2,29 2,89 2,47 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 1,57 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 < 1,29 Najwiêksz¹ lepkoœci¹ chaakteyzowa³ siê zaczyn cementowy o wspó³czynniku w/c ównym 0,4 spoz¹dzony na osnowie cementu 0,2065 Pa s, podczas gdy zaczyn o tym samym w/c ale zaobiony na cemencie posiada³ lepkoœæ ówn¹ 0,1878 Pa s. Na podstawie danych zawatych w tabeli 6 zauwa yæ mo na ó nice w kszta³towaniu siê wytzyma³oœci na zginanie stwadnia³ych zaczynów spoz¹dzonych na cementach i. Jak siê mo na by³o spodziewaæ wzost wytzyma³oœci nastêpuje w miaê wyd³u ania czasu dojzewania póbki. Najwiêkszy wp³yw na wielkoœæ wytzyma³oœci ma wspó³czynnik wodno-cementowy; zwiêkszenie koncentacji wody w zaczynie powoduje zmniejszenie wy- 456

7 tzyma³oœci. Zaczyny na osnowie cementu posiadaj¹ wiêksze wytzyma³oœci w stosunku do zaczynu spoz¹dzonego na cemencie. Zmiany wytzyma³oœci da siê ju zobaczyæ po up³ywie 2 dni od momentu zaobienia. Najwiêksz¹ wytzyma³oœci¹ na zginanie chaakteyzuj¹ siê zaczyny o wspó³czynniku wodno-cementowym 0,4 spoz¹dzone na cemencie. Najmniejsz¹ natomiast zaczyny na osnowie cementu o w/c ównym 1,2. Tabela 7 Wytzyma³oœci na œciskanie zaczynów cementowych Wytzyma³oœæ na œciskanie [MPa] 1 dzieñ 2 dni 7 dni 14 dni 21 dni 28 dni 3,51 2,92 9,79 9,17 22,01 20,07 32,78 27,89 39,17 33,99 42,36 35,67 1,87 1,25 4,86 4,83 11,11 10,42 17,01 15,34 22,99 19,65 25,12 21,18 0,94 0,83 2,92 2,78 6,81 6,24 10,01 9,65 14,24 12,92 15,55 13,55 1,34 0,86 3,39 2,72 4,53 3,97 6,46 5,23 7,89 6,90 1,71 4,41 2,97 2,74 2,78 2,51 4,14 3,23 1,39 0,85 1,94 1,41 2,38 1,71 2,86 2,48 Z tabeli 7 widaæ, e najwiêkszy wp³yw na wytzyma³oœæ na œciskanie ma wspó³czynnik wodno-cementowy, z któego wzostem maleje wytzyma³oœæ. Zawatoœæ popio³u w cemencie wp³ywa ównie na paamety wytzyma³oœciowe. Zwiêkszenie jego zawatoœci powoduje powolniejszy pzyost wytzyma³oœci. Najwiêksz¹ wytzyma³oœci¹ na œciskanie chaakteyzuj¹ siê wspó³czynniki wodno-cementowe 0,4 zaobione na cemencie (od 3,51 do 42,36 MPa). Najmniejsz¹ wytzyma³oœæ posiadaj¹ zaczyny o w/c ównym 1,2 zaobione na cemencie (od 0,85 do 2,48 MPa). 5. WNIOSKI KOÑCOWE 1. Zaczyny uszczelniaj¹ce spoz¹dzone na osnowie cementu wielosk³adnikowego CEM V wykazuj¹ szeeg inteesuj¹cych w³asnoœci u ytkowych, z któych wyó niæ nale y odpowiednie paamety eologiczne i odponoœæ na koozjê fizyczn¹ i chemiczn¹. 2. Specyficzne waunki stosowania takie jak np. wysoka tempeatua i ciœnienie, obecnoœæ minealizowanych wód z³o owych lub odcieków ze sk³adowisk i zmienne waunki geologiczne i hydogeologiczne wyj¹tkowo pedysponuj¹ te spoiwa do wykozystania w ó nych dziedzinach dzia³alnoœci in ynieskiej (gónictwo, geoin ynieia, wietnictwo, budownictwo hydotechniczne). 457

8 3. Pocentowa zawatoœæ sk³adników g³ównych w cemencie wielosk³adnikowym ma istotny wp³yw na paamety technologiczne œwie ych stwadnia³ych zaczynów cementowych. Wybó odmiany cementu CEM V bêdzie zale ny od waunków geologiczno- -technicznych, w któych ealizowane bêd¹ pace geoin ynieyjne. LITERTUR [1] ylicki W.: Czynniki deteminuj¹ce twa³oœæ betonu i iniekcyjnych zaczynów cementowych. Mateia³y Sympozjum Naukowo-Technicznego y w budownictwie, obotach wietniczo-in ynieyjnych oaz hydotechnice, P³atki maj 2001 [2] Deja J.: Odponoœæ koozyjna cementów o wysokiej zawatoœci ganulowanego u - la wielkopiecowego. Mateia³y Sympozjum Naukowo-Technicznego eton w budownictwie obiektów hydotechnicznych i oczyszczalni œcieków, Choula czewiec 1998 [3] Giegiczny Z.: Dobó cementu do okeœlonych zastosowañ w budownictwie i obotach in ynieskich. Mateia³y Sympozjum Naukowo-Technicznego y w budownictwie, obotach wietniczo-in ynieyjnych oaz hydotechnice, P³atki maj 2001 [4] Neville.M.: W³aœciwoœci betonu. Kaków, Polski Sp. z o.o [5] Skuba K.: W³aœciwoœci technologiczne œwie ych i stwadnia³ych zaczynów spoz¹dzonych na cemencie wielosk³adnikowym CEM V/. Kaków, Wydzia³ Wietnictwa, Nafty i Gazu. GH 2004 (paca dyplomowa niepublikowana) [6] Styczek S. Gonet.: Wymagania odnoœnie zaczynów uszczelniaj¹cych stosowanych w technologiach wietniczych. Mateia³y Sympozjum Naukowo-Technicznego y w budownictwie, obotach wietniczo-in ynieyjnych oaz hydotechnice, P³atki maj