Как используется цемент при бурении

Быстротвердеющий цемент (бетон): свойства и области применения

Быстротвердеющий цемент (БТЦ) – один из самых используемых видов портландцемента в стройке. Главное отличие БТЦ от обычного портландцемента заключается в увеличенном количестве трёхкальциевого силиката (C₃S) в составе цемента, который способствует ускоренному набору прочности за начальный период твердения.

Для получения быстротвердеющего цемента увеличивают количество зёрен мелких фракций в растворе.

Характеристика и назначение: плюсы и минусы

Быстротвердеющий цемент легче и дороже портландцемента. Высокая стоимость обусловлена повышенными характеристиками прочности и более высокой скоростью застывания, что является необходимым условием при ускоренной застройке в условиях работы при низких температурах.

Ещё одно преимущество БТЦ состоит в устойчивости к сульфатным атакам разного рода.

Набор прочности БТЦ за три дня эквивалентен семидневному набору прочности портландцемента, тогда как водоцементное соотношение для обоих цементов является одинаковым. Увеличенный показатель набора прочности обусловлен большим содержанием трёхкальциевого силиката (C3S) и более тонким помолом цементного камня в растворе.

Недостатки: из-за выделения большего количества тепла при затвердевании БТЦ не подходит для больших объемов бетонирования.

Марки

Согласно ГОСТу №10178-85, быстротвердеющий цемент имеет марку М 400 (М400) и М 500 (М500). М500 имеет большую востребованность в связи с доступностью цены и широкой сферой применения.

Состав (компоненты и пропорции)

Состоит быстротвердеющий цемент из:

• 60-65% известнякового клинкера;
• MgO – не более 5%;
• гипсового камня – не более 3,5%;
• гранулированных шлаков – не более 15%;
• и активных минеральных добавок – не более 10% для регулировки основных свойств и функций цемента.

Допускается замена минеральных добавок органическими (например: кренты, ферритные и сульфоферритные продукты, опаленные квасцовые камни и белая глина) в целях повышения прочности и ускорения твердения. Суммарная доля органических добавок – не более 5% на всю массу цемента.

Способ производства

Процесс замешивания быстротвердеющего цементного раствора

Для производства быстротвердеющего цемента понадобятся:

• вращающиеся печи для обжига керамики;
• беззольное топливо;
• вода;
• барабанно-шаровая мельница;
• сырьевые материалы, входящее в состав БТЦ.

При создании быстротвердеющего цемента используется сырьё с высокой однородностью и наименьшим процентом нежелательных добавок – для уменьшения химического колебания структуры шлама. Предпочтительно использовать сырьевые материалы некристаллической структуры, поскольку химическая реакция происходит в них лучше, нежели чем в кристаллической.

Процесс приготовления

В БТЦ в качестве сырья используют известковый камень, который нагревают при высоких температурах до образования клинкера. Клинкер мелко измельчают, а затем смешивают с небольшим количеством гипсового камня для получения цементного раствора.

Обжиг помола следует производить во вращающихся печах на беззольном горючем. После обжига в помол добавляется флюорит для ускорения процесса клинкерообразования, после чего полученная смесь остужается.

Полученный состав должен содержать не менее 50% С₃S. Далее в цемент добавляются активные минеральные добавки (до 10%) и доменные, либо электротермофосфорные остатки (до 15%), которые способствуют реакции С₃S. Чтобы избежать лишних выбросов и добиться правильного увеличения прочности добавляют 5-10% (от массы цемента) трепела.

Для увеличения эффективности минеральных веществ, ускоряющих твердение, и оказывающих положительное воздействие на гидратацию и сольволиз зёрен, необходимо произвести помол зёрен цемента до удельной поверхности в 3500 см 2 /г вместо обычных 3000 см 2 /г.

Увеличение скорости набора прочности

Скорость нарастания прочности можно увеличить добавлением сульфата натрия (Na₂SO₄) и хлористого кальция (CaCl₂) – не больше 1-2% на всю массу цемента.

Введение затравочных кристаллов из предварительно гидратированного цемента также будет способствовать ускоренному набору прочности цементного раствора при бетонировании.

Для ускорения процесса твердения цемента можно использовать гидротепловую обработку, общая длительность которой занимает от 12 до 13 часов при температуре 80°С.

Особо быстротвердеющий цемент (ОБТЦ)

Не так давно начали изготавливать особо быстротвердеющий цемент с увеличенной устойчивостью. Такой цемент содержит не менее 55% С₃S, а помол обладает удельной поверхностью не менее 4000 см 2 /г. В отличие от БТЦ, ОБТЦ обладает более интенсивными темпами набора прочности за начальный период.

Области применения

БТЦ имеет общестроительное назначение, и подходит для заполнения трещин и заделки пустот.

БТЦ используется в постройках, требующих ускоренного затвердевания и увеличенной прочности, где опалубка должна быть удалена как можно раньше.

Быстротвердеющий цемент хорошо зарекомендовал себя при создании трасс, при производстве бетонных панелей, плит, электрических столбов, ограждений и бордюров. БТЦ нередко применяется для бетонирования в холодную погоду, поскольку обильное выделение тепла во время гидратации защищает бетон от замерзания.

Промывка скважин

Промывка скважин — одна из самых ответственных операций, выполняемых при бурении. Первоначально назначение промывки ограничивалось очисткой забоя от частичек выбуренной породы и их выносом из скважины, а также охлаждением долота. Однако по мере развития бурового дела функции бурового раствора расширились. Теперь сюда входят:

1. вынос частиц выбуренной породы из скважины;
2. передача энергии турбобуру или винтовому двигателю;
3. предупреждение поступления в скважину нефти, газа и воды;
4. удержание частичек разбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции;
5. охлаждение и смазывание трущихся деталей долота;
6. уменьшение трения бурильных труб о стенки скважины;
7. предотвращение обвалов пород со стенок скважины;
8. уменьшение проницаемости стенок скважины, благодаря коркообразованию.

Соответственно буровые растворы должны удовлетворять ряду требований:

• выполнять возложенные функции;
• не оказывать вредного влияния на бурильный инструмент и забойные двигатели (коррозия, абразивный износ и т.д.);
• легко прокачиваться и очищаться от шлама и газа;
• быть безопасными для обслуживающего персонала и окружающей среды;
• быть удобными для приготовления и очистки;
• быть доступными, недорогими, допускать возможность многократного использования.

При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин в качестве промывочных жидкостей используются:

• агенты на водной основе (техническая вода, естественные буровые растворы, глинистые и неглинистые растворы);
• агенты на углеводородной основе;
• агенты на основе эмульсий;
• газообразные и аэрированные агенты.

Техническая вода — наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет шлам с забоя скважины и лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото. Однако она плохо удерживает частицы выбуренной породы (особенно при прекращении циркуляции), не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается низконапорными пластами, вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.

Естественным буровым раствором называют водную суспензию, образующуюся в скважине в результате диспергирования шлама горных пород, разбуриваемых на воде.

Основное достоинство применения естественных буровых растворов состоит в значительном сокращении потребности в привозных материалах на их приготовление и обработку, что ведет к удешевлению растворов. Однако их качество и свойства зависят от минералогического состава и природы разбуриваемых глин, способа и режима бурения, типа породоразрушающего инструмента. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда по геолого-стратиграфическим условиям не требуется промывочная жидкость высокого качества.

Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Для бурового дела наибольший интерес представляют три группы глинистых минералов: бентонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, сапонит и др.), каолиновые (каолинит, галлуазит, накрит и др.) и гидрослюдистые (иллит, бравиазит и др.). Наилучшими качествами с точки зрения приготовления бурового раствора обладают онтмориллонит и другие бентонитовые минералы. Так, из 1 тонны бентонитовой глины можно получить около 15 м 3 высококачественного глинисого раствора, тогда как из глины среднего качества — 4 . 8 м 3 , а из низкосортных глин — менее 3 м 3 .

Глинистые растворы глинизируют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая препятствует проникновению фильтрата в пласты. Их плотность и вязкость таковы, что растворы удерживают шлам разбуренной породы даже в покое, предотвращая его оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы, создавая большое противодавление на пласты, предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину и открытое фонтанирование при бурении. Однако по этим же причинам затруднено отделение частиц породы в циркуляционной системе бурового раствора.

Применяются также другие буровые растворы на водной основе: малоглинистые (для бурения верхней толщи выветрелых и трещиноватых горных пород), соленасыщенные (при бурении в мощных толщах соленосных пород), ингибированные (обработанные химреагентами для предупреждения набухания разбуриваемых пород и чрезмерного обогащения раствора твердой фазой) и т.д.

К неглинистым относятся буровые растворы, приготовленные без использования глины. Безглинистый буровой раствор с конденсированной твердой фазой готовится на водной основе. Дисперсная фаза в нем получается химическим путем, в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния с щелочью NaOH или Са(ОН)₂. Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния Mg(OH)_r Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства при любой минерализации. Поэтому его применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины, но обеспечить контроль и регулирование минерализации раствора сложно.

Другим типом неглинистых буровых растворов являются биополимерные растворы. Биополимеры получают при воздействии некоторых штаммов бактерий на полисахариды. Свойства биополимерных растворов регулируются так же легко, как свойства лучших буровых растворов из бентонитовых глин. Вместе с тем, некоторые из них оказывают флокулирующее воздействие на шлам выбуренных пород, предупреждая таким образом образование суспензии. Кроме того, растворы биополимеров термоустойчивы. Сдерживает их применение относительно высокая стоимость.

Буровые растворы на углеводородной основе представляют собой многокомпонентную систему, в которой дисперсионной (несущей) средой является нефть или жидкие нефтепродукты (обычно дизельное топливо), а дисперсной (взвешенной) фазой — окисленный битум, асфальт или специально обработанная глина (гидрофобизи-рованный бентонит).

Буровые растворы на углеводородной основе не оказывают отрицательного влияния на свойства коллекторов нефти и газа, обладают смазывающей способностью: при их использовании уменьшается расход мощности на холостое вращение бурильной колонны в стволе скважины и снижается износ бурильных труб и долот. Однако стоимость приготовления таких буровых растворов довольно высока, они пожароопасны, трудно удаляются с инструмента и оборудования.

Применяют буровые растворы на углеводородной основе для повышения эффективности бурения в породах-коллекторах и сохранения их нефтегазоотдачи на исходном уровне, а также для проводки скважин в сложных условиях при разбуривании мощных пачек набухающих глин и растворимых солей.

У эмульсионных буровых растворов дисперсионной средой является эмульсия типа «вода в нефти», а дисперсной фазой — глина.

Буровой раствор, приготовленный на основе эмульсии типа «вода в нефти», называется обращенным эмульсионным или инвертной эмульсией. Жидкая фаза такого раствора на 60 . 70 % состоит из нефти или нефтепродуктов, остальное — вода. Однако содержание воды в инвертной эмульсии может быть доведено до 80 % и выше, если в нее ввести специальные эмульгаторы.

Эмульсионные буровые растворы используются при бурении в глинистых отложениях и солевых толщах. Они обладают хорошими смазочными свойствами и способствуют предупреждению прихвата инструмента в скважине.

Сущность бурения с продувкой газом заключается в том, что для очистки забоя, выноса выбуренной породы на дневную поверхность, а также для охлаждения долота используют сжатый воздух, естественный газ или выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Применение газообразных агентов позволяет получить большой экономический эффект: увеличивается механическая скорость (в 10 . 12 раз) и проходка на долото (в 10 раз и более). Благодаря высоким скоростям восходящего потока в затрубном пространстве, ускоряется вынос выбуренных частиц породы. Использование газообразных агентов облегчает проведение гидрогеологических наблюдений в скважинах. Кроме того, увеличивается коэффициент нефтегазоотдачи пласта.

Аэрированные буровые растворы представляют собой смеси пузырьков воздуха с промывочными жидкостями (водой, нефтеэмуль-сиями и др.) в соотношении до 30:1. Для повышения стабильности аэрированных растворов в их состав вводят реагенты — поверхностно-активные вещества и пенообразователи.

Аэрированные буровые растворы обладают теми же свойствами, что и жидкости, из которых они приготовлены (для глинистых растворов — образуют глинистую корку, обладают вязкостью и напряжением сдвига, сохраняют естественную проницаемость призабойной зоны пласта при его вскрытии). Вместе с тем, большим преимуществом аэрированных жидкостей является возможность их применения в осложненных условиях бурения, при катастрофических поглощениях промывочных жидкостей, вскрытии продуктивных пластов с низким давлением.

Что такое цементация грунта? Технология выполнения укрепительных работ

Струйная цементация грунтов – это физико-химическое закрепление с целью создания окаменевшего основания. Проще говоря, данная технология позволяет создавать, укреплять или выравнивать фундаментные основания без рытья котлованов и откапывания существующих конструкций.

Струйная цементация (технология jet grouting) позволяет производить закладку фундаментного основания в условиях строительства вблизи других построек, когда рытье котлована невозможно. Так же, с помощью данной технологии, можно укрепить фундаменты существующих зданий, не нанося им никакого вреда. Работы могут производиться в различных условиях, при сесмически активных почвах, близком залегании природных вод и т.д.

1. Основные понятия
   1. Положительные и отрицательные стороны
   2. Плюсы струйной цементации
   3. Минусы цементации
2. Порядок выполнения работ
   1. Область применения
   2. Технологическое оборудование
   3. Технология струйной цементации грунтов (видео)

1 Основные понятия

Струйная цементация грунтов (в переводе jet grouting) – наиболее старая технология, позволяющая произвести такое закрепление грунта.

Применять ее начали для укрепления рыхлых, крупнопесчаных, крупнообломочных почв. Дело в том, что рыть котлован на песке – вообще задача неблагодарная.

В условиях же крупнообломочных каменистых грунтов попытка нарушения целостности грунта (особенно это касается горных районов) вообще может привести к катастрофическим последствиям, типа оползней.

Применение метода струйной цементации для закрепления фундамента

Такое положение дел вряд ли бы порадовало застройщиков, поэтому пришлось изобретать метод, позволяющий произвести закрепление без нарушения целостности почвы.

Технология jet grouting заключается в том, что в почву вертикально вводятся специальные трубкоинъекторы (труба с отверстиями, диаметром 2-4 мм), через которую под большим давлением подается смесь воды и цемента (цементное молоко).

Вода под давлением производит гидроразрыв земельного основания, заполняя трещины цементной смесью.

Лишняя вода постепенно выдавливается на поверхность. Раствор же постепенно застывает и образует с почвой прочную неразмываемую смесь – грунтобетон.

Результат выполненных работ по закреплению грунта основания струйной технологией после откопки

Если закрепление грунта производится на небольшой глубине, инъектор забивают в землю. При работе на больших глубинах, его погружают в заранее пробуренную скважину.

1.1 Положительные и отрицательные стороны

Данный метод хорошо известен в кругу профессиональных застройщиков и архитекторов. Он имеет множество положительных особенностей. Что же касается его негативных сторон, то они больше связаны с невозможностью применения в бытовой сфере.

1.2 Плюсы струйной цементации

1. Данная технология позволяет осуществлять закрепление грунтов практически без нарушения их целостности и без динамического воздействия на них. Благодаря этому jet grouting может использоваться для укрепления горных районов, реконструкции старых зданий, проведения работ в условиях плотной городской застройки.
2. Оказывает на землю комбинированное воздействие. Во-первых, возникают новые и уплотняются старые межчастичные связи. Во-вторых, производится уплотнение основания под высоким давлением. В-третьих, в земле закладываются высокопрочные вертикальные сваи из грунтобетона на заданном расстоянии, а так же возникают хаотичные грунтобетонные горизонтальные прослойки.
3. Закрепление основания таким способом позволяет достигать его высокой прочности.
4. Данная технология позволяет практически полностью предотвратить проседание грунта.
5. Дает возможность исправлять крены высотных зданий.
6. Работы могут производиться на любых почвах как выше, так и ниже грунтовых вод.
7. Цементация позволяет производить работы без проведения каких-либо отходов. Следовательно она может применяться для создания или укрепления саркофагов высокотоксичных или радиационных отходов без их выхода на поверхность, а так же с минимальным контактированием рабочих.

к меню ↑

1.3 Минусы цементации

Ранее к минусам jet grouting относили отсутствие возможности выполнения работ на грунтах высокой плотности. Однако новые технологии, применяющие микро гидроразрывы, позволяют производить закрепление абсолютно любых грунтов.

Цементация грунта производится только специальной техникой

Поэтому к недостаткам можно отнести лишь то, что данный метод не может быть использован в бытовых условиях, по крайней мере, самостоятельно. Цементация требует специального оборудования, навыков, затрат финансов и времени, а так же предварительной сейсморазведки. От особенностей грунта зависит давление и состав подаваемой жидкости.

2 Порядок выполнения работ

Технология струйной цементации грунтов, как уже говорилось ранее, позволяет производить закрепление любых грунтов в любых условиях.

Диаметр грунтобетонных свай, в зависимости от особенностей грунта и нужд застройщика, может находиться в пределах от 60 см до 2 метров.

Остановимся подробнее на порядке выполнения работ:

1. На первом этапе нужно произвести погрузку инъектора в грунт. Если того позволяет структура грунта и глубина цементации, инъектор вбивают без бурения скважины. Если же нет, производится бурение скважины диаметром 112 мм глубиной, соответствующей проектной отметке.
2. При подъеме инъектора вверх, через отверстия в конусной насадке под давлением до 600 атмосфер подается цементная суспензия. Пропорции смешивания цемента и воды находятся в пределах от 1:0,4 до 1:10 в зависимости от степени водопоглощения грунта.
3. Цементное молоко, выходя под большим давлением из форсунок (отверстий) в инъекторе, диаметром 2-4 мм, не только заполнчет естественные поры грунта, но и производит небольшие гидроразрывы, что позволяет закрепить большее пространство и не допустить в дальнейшем просадки здания.
4. Сразу после заливки цементно-бетонных свай, при необходимости, производится их армирование. В зависимости от назначения, производится задавливание в смесь металлических или железобетонных столбов.

На прочность грунтобетонного основания, созданного по технологии jet grouting, влияет тип грунта и количество израсходованного цемента.

Схема выполнения работ по цементации грунта

Максимальная прочность достигается при работе в песчаных и гравилистых грунтах, минимальная – в глинистых.

2.1 Область применения

Область применения технологии струйной цементации очень широка: от городского строительства домов до предотвращения оползней и заполнения шахтных выработок.

• ограждение котлованов пересекающимися грунтобетонными сваями, выполняющими роль как вертикальной, так и противофильтрационной завесы;
• усиление любых типов фундаментов: ленточных, свайных, из железобетонных монолитных плит для повышения деформационных характеристик грунтовых оснований;
• установка буровых комбинированных свай, методом вбивания металлических или железобетонных элементов в грунтово-цементную смесь;
• создание разъединительных стенок, противостоящих разрушению существующих зданий при строительстве новых;
• заполнение горных, шахтных выработок и карстовых пустот;
• проведение противооползневых мероприятий;
• цементация используется для закрепления слабых грунтов при проведении дорожно-транспортного строительства, сооружения тоннелей и мостов;

Буровая установка для цементации грунта

2.2 Технологическое оборудование

Как уже упоминалось ранее, для проведения струйной цементации оснований нужно серьезное профессиональное оборудование.

1. Буровые установки. Они могут быть крупногабаритными (для выполнения бурения на глубину до 50 метров) и мелкогабаритные (позволяют выполнять работы на глубине от 2 метров в условиях тесной застройки и небольшого рабочего пространства).
2. Высоконапорные насосные установки, позволяющие подавать цементную суспензию под давлением от 450 до 600 атмосфер. Такое оборудование подает за одну минуту в скважину от 150 до 420 литров суспензии.
3. Миксерные установки для приготовления водно-цементной суспензии.

к меню ↑

2.3 Технология струйной цементации грунтов (видео)

Технология бурения скважин в осложненных условиях

Наиболее часто осложнения происходят при наличии в гео­логических разрезах таких образований, как песок, плывун , гравий, галечник, слабосцементированные конгломераты, мерзлые рыхлые породы, соляные отложения, раздробленные, перемятые и сильно трещиноватые, часто водопоглощающие или водонасыщенные по­роды.

Бурение в песках и плывунах может быть достаточно успешным только с промывкой качественными коллоидными жидкостями (растворами) с повышенной плотностью (у = 1200—1300 кг/м 3 ) и вязкостью (Т = 25—28 с). Применяют в этом случае твердосплавные буровые коронки с большим выходом резцов за боковую поверхность (до 5 мм) или ребристые. Наиболее рационально бурить такие породы ло­пастными долотами (без керна). Скорость восходящего потока промывочной жидкости должна быть не менее 0,5 м/с.

Бурение в гравийно-галечниковых отложениях, слабосцементированных конгломератах наиболее эффективно вести шарошеч­ными долотами (без получения керна) с промывкой качественным глинистым раствором и последующим закреплением стенок сква­жины обсадными трубами.

При бурении Мерзлых отложений, теряющих устойчивость из-за растепления, необходимо применять специальные охлажденные промывочные жидкости или растворы, имеющие пониженную тем­пературу замерзания. Часто в качестве промывочной жидкости применяют водные растворы поваренной соли с концентрацией, обеспечивающей низкую температуру ее замерзания, или неза­мерзающую (при низкой температуре) жидкость типа дизельного топлива. В многолетнемерзлых породах успешно осуществляют также бурение с продувкой скважин охлажденным воздухом.

Легкорастворимые отложения (соли) бурят с промывкой жидко­стью, которая насыщена солью, соответствующей составу перебуриваемых отложений, или с продувкой скважины воздухом.

При бурении скважин в условиях поглощения промывочной жидкости следует учитывать характер поглощения, которое может быть полным или частичным. В соответствии с этим принимают меры борьбы с поглощением, к числу которых относятся: приме­нение в качестве очистного агента жидкостей, имеющих понижен­ную плотность (менее 1000 кг/м 3 ) и повышенную вязкость (аэриро­ванные жидкости), пены или сжатого воздуха; добавка к раствору инертных материалов — очесов хлопка, шелухи от семян, злаков, опилок, рубленой соломы и др., понижающих подвижность раствора; тампонирование водопоглощающих пород вяжущими материала­ми — вязкой пластичной глиной (при небольшой глубине скважин), цементным раствором, быстросхватывающимися смесями (БСС) или быстротвердеющими смолами (БТС) и др.

В случаях интенсивного водопоглощения прибегают к спуску обсадных труб и тампонированию затрубного пространства це­ментным раствором.

При водопроявлении — поступлении в скважину напорной воды из пластов — применяют утяжеленную промывочную жидкость с повышенной плотностью, обеспечивающую необходимое противо­давление, так же как и при борьбе с обвалами стенок скважин.

Для предупреждения фонтанирования воды (газа, нефти) из скважин, их устья герметизируют специальными устройствами (ГУ).

Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже: