1. Charakterystyka środowiska panującego w otworze Wiertniczym.

Do najważniejszych czynników wpływających na zróżnicowanie warunków panujących w górotworze należy zaliczyć:

• podwyższoną temperatura

• podwyższone ciśnienie

• obecność wód złożowych

• częstą obecność węglowodorów

• różnorodność przewierconych skał

• obecność płuczki wiertniczej.

Stopień geotermiczny: głębokość (mierzona w [m]) na której temp. Wzrasta o 1^oC w stosunku do punktu początkowego. Jako średnią wielkość stopnia geotermalnego w skali globalnej przyjmuje się 33m/1^oC

1. Wymagania odnośnie zaczynów uszczelniających stosowanych do uszczelniania i wzmacniania ośrodka gruntowego i masywu skalnego.

Zaczyny uszczelniające stosowane w wiertnictwie i geoinżynierii muszą spełniać jednocześnie min. kilka kryteriów:

• pierwszym z nich jest warunek zgodności pod względem fiz.-chem. Z otoczeniem

• drugi warunek wynika z kryteriów przetłaczanego zaczynu. Realizuje się go przez odpowiedni dobór modelu reologicznego i parametrów reolog. Zaczynu. Prawidłowo dobrane par. reolog. Umożliwiają obliczenie oporów przepływu zaczynu w systemie cyrkulacyjnym od agregatów zatłaczających do miejsca jego lokowania w ośrodku gruntowym

• trzecim wymogiem jest potrzeba zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości oraz trwałości stwardniałych zaczynów uszczelniających. Powstałych na skutek procesów fiz.-chem.

• czwartym kryterium jest czynnik ekonomiczno-ekologiczny. Celem zminimalizowania kosztów związanych z ceną jednostkową zaczynów, można stosować dla odpowiednich warunków zazwyczaj tanie i bezpieczne ekologicznie odpadki

3. Rodzaje spoiw do sporządzania zaczynów uszczelniających

Wszystkie spoiwa ze względu na pochodzenie dzielimy na:

• mineralne

• organiczne.

W zależności od mechanizmu wiązania dzielimy na następujące rodzaje:

• klasyczne spoiwa (wiążące w wyniku reakcji chemicznej)

• lepiszcze (wiążące w wyniku przemiany fizycznej np. krzepnięcia)

• spoiwa żywiczne (utwardzone według reakcji polimeryzacji bez wydzielenia produktu ubocznego lub wg reakcji polikondensacji).

SPOIWA MINERALNE- sproszkowane minerały wiążące posiadające właściwość że po zmieszaniu z wodą przechodzą w plastyczną masę, która po pewnym czasie zaczyna gęstnieć aż zamienia się w stwardniały kamień. Spoiwa mineralne można podzielić wg:

• podstawowego składu chemicznego surowca (wapniowe, siarczanowo-gipsowe, magnezowe)

• rodzaju procesu cieplnego (prażenie, spiekanie, topienie) * zachowanie się w środowisku wodnym (spoiwa powietrzne, spoiwa hydrauliczne) Główne spoiwa mineralne:

CEMENT WAPNO GIPS. | SPOIWA POWIETRZNE wiążą i twardnieją jedynie na powietrzu, nie twardnieją w wodzie. Po stwardnieniu nieodporne na działanie wody.

• spoiwa wapienne (np. wapno palone, mielone, suchogaszone, mokrogaszone)

• spoiwa gipsowe (gips budowlany, anhydryt)

SPOIWA HYDRAULICZNE zawierają składniki hydrauliczne takie jak SiO2, Al203,Fe2O3, które w obecności wolnego CaO i po połączeniu z nim trwale wiążą wodę. Po stwardnieniu odporne na działanie wody. Wiążą i twardnieją zarówno w wodzie jak i na powietrzu.

• cementy portlandzkie, hutnicze a także wapno hydrauliczne.

Z punktu widzenia przydatności spoiw naturalnych wyróżniamy:

• spoiwa podstawowe(produkty z jednego tylko wypalonego surowca)

• dodatki hydrauliczne (odpady paleniskowe, pucolany i pucolanoidy)

• spoiwa mieszane (produkty powstałe ze zmieszania różnych klinkierów i dodatków hydraulicznych np. cementy na osnowie żużla) ||

Według głównych reakcji chemicznych zachodzących podczas reakcji wiązania, twardnienia:

• spoiwa wapienne(o głównej reakcji CaO z CO2 z powietrza

• wapna powietrzne i słabohydrauliczne)

• spoiwa krzemionkowe (o gł. Reakcji SiO2 z CaO

• wszystkie odmiany cementu portlandzkiego, wapna hydrauliczne)

• spoiwa glinowe (o gł. Reakcji z Al2O3 z CO

• tylko cementy glinowe)

• spoiwa na osnowie gipsu (charakterystyczne przez wytrzymałościotwórcze reakcje gipsu z różnymi składnikami.

• spoiwa gipsowe

• cement gipsowo-żużlowy)

Do podstawowych składników spoiw nieorganicznych pod względem tlenkowym należą CaO SiO2 Fe2O3 i FeO Al2O3 R2O3 MgO MnO K2O Na2O SO3

3. Produkcja cementu portlandzkiego

Wytwarzany jest głównie:

• z surowców wapiennych (wapń, kreda)

• z glin i łupków

• stosowany jest również margiel-skała stanowiąca naturalną mieszankę materiałów wapiennych. Surowiec: mączka mineralna o składzie gwarantującym całkowite związanie CaO

1. Przygotowanie surowców:

• urabianie i rozdrabnianie surowców

• przygotowanie wsadu(mączki metoda sucha lub szlamu metoda mokra)

1. Wypalenie

2. Mielenie produktu wypału

3. Sporządzenie mieszanek handlowych.

Proces:

• zmielenie składników w stanie surowym

• dokładne ich wymieszanie w odpowiedniej proporcji *wypalanie wpiecu obrotowym w temp 1450^oC w której materiał ulega spieczeniu i częściowemu stopieniu tworząc granulki klinkieru.

• klinkier po ochłodzeniu jest mielony wraz z pewną ilością gipsu na na drobny proszek, dając produkt końcowy, którym jest dostępny w handlu i stosowany na całym świecie cement portlandzki. |

Mielenie i hemogenizacja może nastąpić w:

• zawiesinie wodnej

• po ich wysuszeniu stąd nazwy metoda mokra i sucha

5. Skład chemiczny i mineralogiczny cementu portlandzkiego

Surowce używane do produkcji cementu port zawierają głównie:

• tlenki wapnia (60-67%)

• tlenki krzemu (17-25%)

• tlenki glinu (3-8%)

• tlenki żelaza (0,5-6%).

Podstawowe skład. Mineralog:

• krzem trójwapniowy –C3S (35-65%)

• krzem dwuwapniowy –C2S (15-45%)

• glinian trójwapniowy –C3A (5-15%)

• glinożelazian czterowapniowy –C4AF (7-18%)

Poza głównymi składnikami w cemencie znajdują się także składniki drugorzędne MnO TiO2 Mn2O3 K2O Na2O które stanowią nie więcej niż kilka % masy cementu.

6. Reakcje chemiczne zachodzące podczas hydratacji i hydrolizy składników cementów.

Klinkier portlandzki składa się głównie z:

• krzemianów

• glinianów

• żelazianów wapnia niestabilnych w środowisku wodnym.

W środowisku tym ulegają one hydratacji.

Proces przebiegający w mieszance cementu z wodą jest złożony i obejmuje:

• reakcje hydratacji

• reakcje hydrolizy

• procesy kogruentnego i inkongruentnego rozpuszczania składników klinkieru w fazie ciekłej.

Woda w procesie hydratacji cementu nasyca się przechodzącymi do roztworu: wampnem, glinem i alkaliami.

Obecność tych składników, w miarę wzrostu ich koncentracji poważnie wpływa na skład uwodnionych produktów hydratacji.

7. Mechanizm hydratacji i twardnienia cementu:

W procesie hydratacji i hydrolizy cementu materiały klinkierowe tworzą uwodnione fazy;

Faza ciekła w bardzo krótkim czasie staje się roztworem nasyconym jonami Ca²⁺ i SO₄^2-, apH roztworu utrzymuje się na poziomie ok 12,5.;

Proces twardnienia polega na zagęszczaniu żelu CSH połączonym z odwadniaczem wody oraz na krystalizacji ertyngitu i wodorotlenku wapniowego tworzących zrosty oraz wypełniających pory w twardniejącym zaczynie.;

W procesie hydratacji cementu występują dwa zjawiska:

• rozpuszczanie niestabilnych faz klinkierowych i krystalizacja przesycanych, krystalizacja na ogół poprzedzona jest wytrąceniem związków w postaci żelowej;

• reakcja według mechanizmu typowego dla fazy stałej - tak zwane reakcje topochemiczne.

8. Efekty cieplne procesu hydratacji:

Hydratacja spoiw hydraulicznych połączona jest z wydzielaniem się ciepła. Nosi ono nazwę ciepło hydratacji, a ilość jego mierzy się w cal/g.

Rozróżnia się:

• kaloryczność całkowitą, która jest sumą kalorii wydzielających się przy całkowitej hydratacji spoiwa, nigdy jednak do całkowitej hydratacji nie dochodzi,

• kaloryczność początkową, która jest sumą kalorii wydzielonych w określonym czasie „n” dni (głównie w ciągu 3 dni).

Przyjmując jako warunek szybkość wydzielania się ciepła, czyli kaloryczność, materiały spoiwowe można podzielić na:

1. wysokokaloryczne,

2. niskokaloryczne,

3. domieszki obniżające kaloryczność.

Spoiwom krzemianowym można przez odpowiedni skład mineralny, stopień rozdrobnienia oraz domieszki nadać odpowiednią kaloryczność.

9. Kontrakcja zaczynu w trakcie jego wiązania i twardnienia.

W trakcie wiązania zaczynów sporządzanych na osnowie nieorganicznych spoiw hydraulicznych obserwuje się występowanie zjawiska kontrakcji.

Jest to wewnętrzne kurczenie się bezwzględnej objętości zaczynu, któremu towarzyszy zawsze tworzenie się wodzianów. Kontrakcja jest wynikiem procesów chemicznych.

Jest ona niezależna od warunków przechowywania zaczynu i wywołuje odkształcenia nieodwracalne.

Największe nasilenie przypada na czas wiązania i początek twardnienia, po czym kontrakcja szybko zanika.

Kontrakcja rozwija się szybko i w kilka godzin po związaniu zaczynu jest ona częściowo skompensowana przez narastanie i nakładanie się na nią skurczu.

Praktycznie wpływ kontrakcji przejawiać się może w ten sposób, że już w pierwszych godzinach mogą powstawać zarysowania powierzchniowe lub też jednokierunkowe pęknięcia (zwiększona przepuszczalność i porowatość).

Ponieważ intensywność kontrakcji idzie w parze z intensywnością reakcji chemicznych, wszelkie dodatki działające na te procesy działają również na kontrakcję.

10. Składniki cementu powszechnego użytku

W skład cementu mogą wchodzić:

• składniki główne (klinkier cementu, granulowany żużel wielkopiecowy, pucolany, popiół lotny, wapień, pył krzemionkowy, łupek palony);

• składniki drugorzędne;

• siarczan wapnia – dodawany jest (w małych ilościach) do innych składników cementu podczas jego wytwarzania w celu regulacji czasu wiązania;

• dodatki – są to składniki nie wymienione uprzednio, dodawane w celu:

1. ulepszania wytwarzania,

2. poprawy właściwości cementu.;

Całkowita ilość dodatków nie powinna przekraczać 1% masy cementu (dodatki organiczne – mniej niż 0,5% masy cementu).

11. . Nazwy cementów powszechnego użytku

RODZAJE CEMENTÓW POWSZECHNEGO UŻYTKU:

1. CEM I - CEMENT PORTLANDZKI;

2. CEM II - CEMENT PORTLANDZKI WIELOSKŁADNIKOWY ;

• Żużlowy

• Krzemiankowy

• Pucolanowy

• Popiołowy

• Łupkowy

• Wapienny

• wieloskładnikowy;

1. CEM III - CEMENT HUTNICZY;

2. CEM IV - CEMENT PUCOLANOWY;

3. CEM V - CEMENT WIELOSKŁADNIKOWY .

12. Klasyfikacja cementów wiertniczych

Wg normy API cementy wiertnicze dzielą się na:

• osiem klas (od A do H),

• trzy gatunki (O, MSR, HSR):

1. O – zwykły (Ordinary),

2. MSR – średnio odporny na siarczany ,

3. HSR – o dużej odporności na siarczany.

4. Cementy klasy A, B, C – do otworów płytkich, gdzie nie są wymagane specjalne właściwości.

Cement klasy A – gatunek: O,

Cement klasy B – gatunek: MSR, HSR,

Cement klasy C – szybko twardniejący o gatunku: O, MSR, HSR.

Cementy klasy D, E, F – cementy odporne na siarczany o opóźnionym wiązaniu, zawierający odpowiedni opóźniacz zmielony lub zmieszany z klinkierem portlandzkim odpornym na siarczany i gipsem.

Klasa D – głębokość stosowania 1830 – 3050 m (77 – 100^oC)
Klasa E – głębokość 3050 – 4270 m (110 – 145^oC)
Klasa F – głębokość 3050 – 4880 m (145 – 160^oC)

Cementy klasy G i H są podstawowymi cementami, które:

• po sporządzeniu przeznaczone są do cementowania otworów w zakresie głębokości 0 – 2440 m,

• po wprowadzeniu dodatków przyśpieszających lub opóźniających mogą być stosowane w szerokim zakresie głębokości otworów.

13. Algorytm cementowania kolumn rur okładzinowych (cementowanie jednostopniowe):

1. Obl. objętości zaczynu uszczelniającego

2. Obl. masy suchego cementu potrzebna do sporządzenia 1m³ zaczynu

3. Obliczenie gęstości zaczynu

4. Obl. masy suchego cementu potrzebnego do sporządzenia obliczonej obj. zaczynu

5. Obl. masy wody zarobowej do sporządzenia zaczynu o obliczonej objętości,

6. Obliczenie objętości buforującej

7. Obl. przybitki potrzebnej do wytłoczenia zaczynu,

8. Obl. maksymalnego końcowego ciśnienia w głowicy cementacyjnej wynikające z różnicy ciśnień hydrostatycznych potrzebne na pokonanie oporów przepływu.

9. Obl. wymaganego wsp. strat objętości tłoczenia pomp agregatu uszczelniającego

10. Określ. wyboru agregatu cement.

11. Obliczenie liczby agregatów

12. Obl. czasu wytłaczania zaczynu

13. Obl. sumarycznego czasu uszczelniania kolumny rur okładzinowych

14. Wybór receptury zaczynu

15. Obl. dopuszczalnego uszczelnienia kolumny rur okładzinowych przy uwzględnieniu czasu.

    14. Wymienić metody cementowania kolumn rur okładzinowych i jedną z nich opisać;

Cementowanie jednostopniowe:

1. z prawym obiegiem

• bez klocków

• z dolnym klockiem

• z górnym klockiem z użyciem dwóch sprężonych ze sobą klocków górnych H>4000m

1. z lewym obiegiem

2. przez przewód

• kolumny o dużych średnicach , wymagające dużych ilości cementu

• doszczelniające

Cementowanie wielostopniowe:

1. dwustopniowe

• ciągłe

• przerywane

1. wielostopniowe

• ciągłe

• przerywane

Cementowanie specjalne :

1. manszetowe

2. wykonywanie korków cementowych (likwidacja horyzontów)

3. cementowanie w otworach horyzontalnych

4. iniekcja otworowa

5. cementowanie doszczelniające

6. uszczelnianie stref chłonnych