Nếu vữa ximăng chỉbao gồm ximăng và nước thì không thểđáp ứng được đầy đủcác yêu cầu phức tạp của thực tế. Người ta phải bổsung các chất phụ gia đểđiều chỉnh tính chất của ximăng.
Hiện nay, có hơn 100 chất phụ gia cho ximăng và chia thành các loại sau:
1. Chất nhanh đông 2. Chất chậm đông 3. Chất làm nhẹ 4. Chất làm nặng 5. Chất phân tán 6. Chất giảm độthoát nước 7. Chất chống mất vữa 8. Các phụ gia đặc biệt
4
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-13
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.1. Chất nhanh đông
Các chất làm giảm thời gian đông cứng của vữa ximăng, tăng tốc độphát triển độbền nén. Các chất này thường được dùng đểbù trừsựchậm đông do một sốphụgia khác, ví dụchất phân tán và chất chống mất vữa. Các muối clorua là chất nhanh đông phổbiến. CaCl2là chất hiệu quảvà rẻ tiền nhất. Nồng độCaCl2sửdụng thường khoảng 2-4% khối lượng ximăng. NaCl2, tùy thuộc nồng độvà nhiệt độ, cũng là chất nhanh đông, nhưng không phải là chất hiệu quả cao. Do đó, NaCl2chỉnên dùng khi không có CaCl2. Ngoài ra, còn một sốchất nhanh đông khác như: sôđa, thủy tinh lỏng, xút,…
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-14
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.2. Chất chậm đông
Các chất làm tăng thời gian đông cứng của vữa ximăng.
Nguyên lý gây chậm đông của các phụgia vẫn chưa được thống nhất. Hiện nay, có 4 lý thuyết vềsựchậm đông:
− Lý thuyết hấp phụ: chậm đông gây ra do sựhút bám của phụgia trên bềmặt sản phẩm thủy hóa, từđó ngăn cản tiếp xúc với nước.
− Lý thuyết kết tủa: chất chậm đông tác dụng với ion canxi và ion hydroxit trong pha lỏng, tạo lớp chất kết tủa không thấm xung quanh các hạt ximăng.
− Lý thuyết hạt nhân: chất chậm đông bám quanh nhân của sản phẩm thủy hóa, can thiệp và làm chậm các phản ứng tiếp theo.
− Lý thuyết phức hợp: ion canxi bịcô lập bởi phụ gia, ngăn cản sựhình thành phân tử.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-15
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
Các chất chậm đông tiêu biểu bao gồm:
– Các muối natri và canxi của acid lignosulfonic: hiệu quảvới tất cảcác loại ximăng Portland, nồng độ thường được sửdụng là 0,1 – 1,5% khối lượng ximăng. Khoảng nhiệt độhoạt động hiệu quảtới 122oC và có thểđạt tới 315oC khi trộn chung với borat natri Na2B4O7.
– Thạch cao CaSO4: dùng cho ximăng chứa nhiều C3A. Có thểthay thếthạch cao bằng H2SO4đểkết hợp với lượng Ca(OH)2 dư, tạo thạch cao.
– CMC: dùng với nồng độmuối của vữa bất kỳ. Tỉlệdùng thường khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng ximăng, có thểhoạt động ởnhiệt độtới 100oC.
– Bã rượu sunfit: là chất chậm đông hiệu quả nhưng tạo bọt, cần kết hợp với chất chống tạo bọt. Nồng độsửdụng 1 – 1,5%, có thểdùng chung với tinh bột hoặc than nâu. Nhiệt độhiệu quả: 150oC.
– Các muối bicromat kali và bicromat natri: chất độc hại, sửdụng kết hợp đểtrám giếng nhiệt độcao, tỷlệkhoảng 0,5%.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-16
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.3. Chất làm nhẹ
Các chất làm giảm tỉtrọng của vữa ximăng và tỉtrọng của đá ximăng sau khi đông cứng.
Vữa ximăng, tùy theo tỉtrọng, được chia thành các nhóm sau:
Bảng 7.4. Phân loại ximăng theo tỉtrọng
> 2,2 Nặng 1,95 – 2,2 Hơi nặng 1,75 – 1,95 Bình thường 1,3 – 1,75 Hơi nhẹ < 1,3 Nhẹ Tỉtrọng Loại vữa
5
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-17
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
Các chất làm nhẹ thường dùng là:
– Sét và bột sét: khi thêm sét sẽtạo thành gel ximăng. Không sửdụng được khi nhiệt độ hơn 80oC và độkhoáng hóa cao.
– Diatomit: chứa tinh thểSiO2, tăng độbền của đá ximăng trong môi trường axit và sulfat.
– Các chất nguồn gốc núi lửa: chứa nhiều Al2O3.
– Các đá cacbonat: đá vôi và đá phấn nghiền nhỏ, có thểdùng cho giếng khoan có nhiệt độnhỏ hơn 120oC.
– Các chất nguồn gốc hữu cơ: than đá, grafit, các carbon hydro cứng như asfan, bitum,…Ởnhiệt độcao sẽ tăng độthấm và giảm độbền của đá ximăng. – Một sốchất khác: tro khi nung than đá, than bùn, bụi nhà máy ximăng khi sấy
và nung clinke…
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-18
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.4. Chất làm nặng
Một trong những phương pháp đơn giản tăng tỉtrọng của vữa ximăng là giảm lượng nước pha trộn. Khi đó, cần bổsung phụgia phân tán đểđảm bảo khả năng bơm, đồng thời phải duy trì độthoát nước, tính lưu biến và chống lắng đọng chất rắn. Tỉtrọng tối đa có thểđạt được là 2,16.
Khi cần vữa có tỉtrọng cao hơn, phải bổsung chất làm nặng. Chất làm nặng phải đảm bảo: cỡhạt tương đương với ximăng, ít phản ứng với nước, tương thích với các phụgia khác.
Các chất làm nặng phổbiến theo thứtựhiệu quảlà: hematite (Fe2O3, γ= 4,95), ilmenite (FeTiO3, γ= 4,45) và barit (BaSO4, γ= 4,33).
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-19
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.5. Chất phân tán
Thành phần rắn trong vữa ximăng có thểđạt tới 70%. Tính lưu biến của vữa do đó phụthuộc tính lưu biến của thành phần lỏng, tỉlệhạt rắn và tương tác qua lại giữa các hạt rắn.
Các chất phân tán điều chỉnh các tương tác qua lại của các hạt rắn đểđạt được tính lưu biến mong muốn.
Chất phân tán sửdụng phốbiến nhất là các muối sulfonate hữu cơ. Cấu tạo phân tửcủa các chất này bao gồm 5 – 50 nhóm sulfonate gắn vào gốc polyme đa nhánh. Nồng độhiệu quảtrong khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng ximăng.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-20
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.6. Chất giảm độthoát nước
Khi ximăng được bơm vào vịtrí, chênh lệch áp
suất có thểgây ra hiện tượng thấm lọc và nước
thoát vào vỉa. Sự thay đổi lượng nước trộn trong
vữa ảnh hưởng rất lớn đến quá trình thủy hóa
ximăng và các tính chất của vữa như thời gian
đông cứng, tính lưu biến, độbền nén.
6
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-21
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
Nếu quá trình thoát nước của ximăng không được kiểm soát, những hậu quả nặng nềsẽxảy ra, có thểdẫn tới trám ximăng thất bại.
Độthoát nước của ximăng theo tiêu chuẩn API phải nhỏ hơn 50 ml/30 phút. Các chất phụgia giảm độthoát nước bao gồm 2 nhóm:
−Nhóm vật liệu lơ lửng: bentonit, bột carbonate, asphaltene,…
−Nhóm vật liệu polyme hòa tan trong nước: đồng thời tăng độnhớt của pha lỏng và giảm tính thấm của vỏbùn, sửdụng phổbiến là các dẫn xuất cellulose. Tuy nhiên, cần chú ý điều kiện nồng độvà nhiệt độ. Dưới 65oC, cellulose là chất chậm đông hiệu quả; trên 93oC, cellulose ít tác dụng giảm độthoát nước.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-22
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.7. Chất chống mất tuần hoàn
Mất tuần hoàn thường xảy ra ởcác thành hệyếu, nứt nẻ. Kinh nghiệm và thông tin vềvỉa trong quá trình khoan sẽgiúp ích rất nhiều cho công tác bơm trám ximăng sau này.
Chống mất tuần hoàn có thểthực hiện bằng các vật liệu tạo cầu nối hoặc bằng vữa ximăng thixotropic, là một loại ximăng đặc biệt.
Vật liệu tạo cầu nối bịt kín các khe nứt nhỏcủa vỉa và trơ với quá trình thủy hóa ximăng. Điển hình là gilsonite và than đá hạt thô; ngoài ra còn có hạt thực vật cứng, sét bentonit thô, trấu, lõi bắp,…
Ximăng thixotropic xâm nhập khe nứt, hóa cứng và bịt kín khe nứt.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-23
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
3.8. Các phụ gia đặc biệt
Bao gồm các chất chống tạo bọt, chất sợi hữu cơ tăng độbền, chất phóng xạ đánh dấu, chất khửnhiễm bẩn ximăng.
Chất chống tạo bọt được dùng đểkhắc phục hiệu ứng bọt do các phụgia khác gây ra. Sửdụng phổbiến gồm 2 nhóm: polyglycol ête và silicon. Nồng độpha chếrất thấp, thường ít hơn 0,1% khối lượng nước.
Chất sợi hữu cơ, khi được bổsung với nồng độ0,15 – 0,5%, sẽ tăng độbền của ximăng khi bắn mởvỉa. Sửdụng phổbiến nhất là sợi nylon, với chiều dài có thểtới 1 inch.
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-24
III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG
Chất phóng xạđánh dấu được trộn vào vữa ximăng giúp định vịdễdàng đỉnh cột ximăng sau khi trám. Trước đây, các chất này hay được sửdụng nhưng hiện nay các khảo sát nhiệt độvà đo vành đá ximăng đã thay thếphần nào chức năng này. Chất phóng xạđánh dấu đôi khi vẫn được dùng đểtrám ximăng khắc phục.
Chất phóng xạđược sửdụng phổbiến là I53131(8,1 ngày), Ir77192(74 ngày). Một sốhóa chất trong dung dịch khoan còn lại trong giếng có thểlàm chậm đáng kểquá trình đông cứng của ximăng. Đểgiảm thiểu những ảnh hưởng này khi vữa ximăng trộn lẫn với dung dịch khoan, một sốhóa chất như paraformaldehyde hoặc hỗn hợp paraformaldehyde và natri chromate (Na2Cr2O7) được bổsung.
7
GEOPET
Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết
7-25