آشنايي با سيمان‌هاي حفاري

سيمان پورتلند قطعا پر اهميت ترين ماده سفتگري است كه توليد مي‌شود. اين سيمان تقريبا در عمليات سيمان‌كاري همه چاه‌ها به كار مي‌رود. شرايطي كه اين سيمان در چاه با آن‌ها مواجه مي‌شود؛ بسيار متفاوت از شرايط موجود در حين توليد آن است. به همين دليل سيمان‌هاي پورتلند خاصي براي استفاده در چاه‌هاي نفتي توليد مي‌گردند. البته برخي از انواع ديگر سيمان در چاه‌هاي نفتي، براي مشكلات خاصي و به طور محدودتر به كار مي‌روند.
سيمان پورتلند بهترين نمونه ازسيمان‌هاي هيدروليكي است. اين سيمان‌ها بسته شدن و استحكام تراكمي خود را از طريق هيدارسيون و نه از طريق خشك شدن و از دست دادن آب به دست مي‌آورند. هيدارسيون شامل برخي واكنش‌هاي شيمايي بين آب و برخي تركيبات موجود در سيمان مي‌شود. بسته شدن و سخت شدن سيمان نه تنها در شرايطي كه مخلوط آب / سيمان در هوا باشد، اتفاق مي‌افتد، بلكه اگر اين مخلوط را در آب بگذاريم، نتيجه يكسان است. ايجاد استحكام در سيمان قابل پيش‌بيني، يكنواخت و نسبتا سريع مي‌باشد.همچنين سيمان سفت شده داراي نفوذپذيري پايين بوده و تقريبا در آب نامحلول است. به همين دليل اگر در معرض آب قرار بگيرد، مواد سازنده آن متلاشي نخواهند شد. اين دو خاصيت از اصلي‌ترين خصوصيات يك سيمان براي انجام درست وظايفش مي‌باشند.

نمايش شيمايي:
شيميدان‌هاي سيمان از علامتگذاري خاصي براي نمايش فرمول تركيبات موجود در سيمان استفاده مي‌كنند. نمايش‌هاي اختصاري زير، نشان دهنده تركيبات مهم سيمان هستند:
C = Cao, F = Fe2o3, N = Na2o, P = P2o5
A = AL2o3, M = Mgo ,K = K2o, F = Feo
S = Sio2, H = H2o, L = Li2o, T = Tio2
S = So3 ,C- = Co2-
در واقع استفاده از علائم اختصاري به عنوان راهي ساده براي اجتناب از نوشتن فرمول كامل تركيبات سيمان به كار مي‌رود.

طرز ساخت سيمان پورتلند
سيمان پورتلند به طور عمده از 4 ماده اصلي تشيكل يافته است.
1 ـ تري كلسيم سيليكات ( C3s )
2 ـ دي كلسيم سيليكات ( C2s)
3 ـ تري كلسيم آلومينات ( C3A )
4 ـ تتراكلسيم آلومينوفرات ( C4AF)
اين مواد توسط يك سري واكنش‌هاي شيمايي در دماهايي تا حدود  1500درجه‌ي سانتيگراد، بين آهك، سليكا، آلومينا و اكسيد آهن، در درون كوره توليد مي‌شوند. در پروسه‌هاي ساخت سيمان، مواد خام ابتدا به يك پودر دانه ريز تبديل شده و سپس بر طبق تركيب شيميايي مورد نظر، با نسبت‌هاي خاصي مخلوط مي‌شوند. پس از مخلوط شدن، مواد خام وارد كوره شده و به ماده‌اي به نام سيمان كلينكر تبديل مي‌شوند. به كلينكر سرد شده ميزان كمي گچ ( % 5 ـ 3 )  اضافه شده و مخلوط حاصل دوباره پودر مي‌شود. به ماده نهايي، سيمان پورتلند گفته مي‌شود. براي فهم بهتر به عكس‌هاي شماره 1و2 در انتهاي مقاله رجوع كنيد.

براي تهيه سيمان پورتلند دو نوع مواد خام مورد نياز است: مواد كلسيمي ( Calcareous) كه شامل آهك هستند و مواد argillaceous كه شامل آلومينا، سيليكا و اكسيد آهن مي‌شوند. بسته به محل كارخانه سيمان‌سازي، انواع مختلفي از مواد خام طبيعي و مصنوعي به كار گرفته مي‌شوند.
امروزه دو روش عمومي و كلي براي خرد كردن و مخلوط كردن اين مواد خام وجود دارد، فرايند خشك و فرايند مرطوب. در فرايند خشك، خرد كردن و مخلوط كردن در غياب آب انجام مي‌گيرد، اما در فرايند مرطوب عمليات خرد كردن و مخلوط كردن بااستفاد از يك دوغاب آبكي انجام مي‌گيرد. براي مدت‌ها روش مرطوب به روش خشك ترجيح داده مي‌شد. زيرا در روش مرطوب كنترل بهتري روي مخلوط مواد خام وجود دارد. اما مقدار سوخت بسيار بيشتري براي بخار كردن آب درون كوره مورد نياز است. افزايش قيمت سوخت در سال‌هاي اخير منجر به روي‌آوردن به روش خشك شده است. براي فهم بهتر به عكس‌هاي 3و4 در انتهاي مقاله رجوع كنيد.

طبقه‌بندي سيمان پورتلند:
سيمان پورتلند به دليل نياز به داشتن برخي خواص فيزيكي و شيميايي خاص كه به كاربرد آن در شرايط گوناگون بستگي دارد، در انواع مختلفي ساخته مي‌شود به منظور شناسايي بهتر كاربرد اين سيمان‌ها، سيستم‌هاي مختلف طبقه‌بندي توسط سازنده‌ها بنيان‌گذاري شده است.
بهترين و شناخته‌شده ترين اين سيستم‌ها عبارتند از سيستم طبقه‌بندي ASTM , API. در زير اين دو سيستم طبقه‌بندي به اختصار توضيح داده مي‌شود:
به دليل اينكه شرايطي كه سيمان پورتلند در چاه با آن روبه رو مي‌شود، شديدا با شرايط ساخت آن متفاوت است، API مشخصات خاصي را براي طبقه‌بندي سيمان پورتلند تعريف نموده است. در حال حاضر 8 كلاس API از سيمان پورتلند وجود دارد كه با حروف A تا H نمايش داده مي‌شوند. اين كلاس‌ها بر پايه عمقي كه سيمان‌ها را مي‌توان به كاربرد و نيز بر پايه فشارها و دماهايي كه سيمان‌ها در چاه مي‌توانند آن‌ها را تحمل ‌كنند، مرتب شده‌اند. در برخي ازاين كلاس‌ها سيمان‌ها با درجه‌هاي  مقاومت متفاوت در برابر سولفات‌ها ( كه ميزان اين مقاومت توسط C3A مشخص مي‌شود ) به انواع معمولي (0‌)، مقاومت متوسط در برابر سولفات‌ها ( MSR ) و مقاومت بالا در برابر سولفات‌ها (HSR ) تقسيم بندي مي‌شوند. در زير توصيفي كلي از اين 8 گروه آورده شده است:
كلاس A : براي استفاده از سطح زمين تا عمق ft 6000) 1830 m ) و در شرايطي كه خصوصيات خاصي نياز نباشد، به كار مي‌رود. اين كلاس تنها در نوع معمولي(0‌) وجود دارد.
كلاس B : براي استفاده از سطح زمين تا عمق ft 6000 ) 1830m ) و در شرايط مقاومت متوسط تا زياد در برابر سولفات‌ها به كار مي‌رود. حاوي C3A كمتري نسبت به كلاس A مي‌باشد. كلاس C : براي استفاده از سطح تا عمل ft 6000 ) 1830m )، و زماني كه استحكام اوليه سريع (سيمان سريع سفت شود)مورد نياز است، به كار مي‌رود. اين كلاس در هر سه نوع معمولي، مقاومت متوسط و مقاومت بالا در برابر سولفات‌ها وجود دارد. براي به دست آوردن استحكام اوليه سريع، ميزان C3s و مساحت سطح ذرات آن نسبتا زياد است.
كلاسهاي F , E, D با نام سيمان‌هاي كند شده نيز شناخته مي‌شوند ودر چاه‌هاي عميق تر به كار مي‌روند. خاصيت كندگري با كاهش قابل توجه ميزان فازهاي سريع هيدراته شونده ( مثل C3A , C3S ) و با افزايش اندازه دانه‌هاي سيمان حاصل مي‌شود.
امروزه تكنولوژي كندگرهاي شيميايي بسيار بهبود يافته ودر نتيجه اين سيمان‌ها به ندرت ساخته مي‌شوند.
كلاس D : براي استفاده در اعماق ft 6000 ) 1830m ) تا ft 10000 ) 3050 m ) و در شرايط دما و فشار نسبتا بالا ساخته مي‌شود. در دو نوع MRS و HSR نيز يافت مي‌شود.
كلاس E : براي استفاده در اعماق ft 10000 ) 3050m ) تا ft 14000) 4270m ) و در شرايط دما و فشار بالا به كار مي‌رود. در انواع MRS و HSR نيز موجود مي‌باشد.
كلاس F : براي استفاده در اعماق ft 10000 ) 3050m ) تا ft 16000 )4880m ) و در شرايط دما و فشار بسيار بالا به كار مي‌رود. در انواع MSR و HSR موجود مي‌باشد.
كلاسهاي H,G به علت پيشرفت تكنولوژي در ساخت شتابگرها (6) و كندگرهاي دوغاب توسط مواد شيمايي ساخته شدند. سازنده‌هاي اين نوع سيمان‌ها اجازه استفاده از مواد شيمايي مثل گليكول يا استات را در كلينكر ندارند. اين نوع افزاينده‌ها موجب بهبود بازدهي خرد كردن سيمان مي‌شوند ولي از طرف ديگر با ساير افزاينده‌هاي سيمان، در واكنش‌هاي نامطلوبي شركت مي‌كنند. امروزه كلاسهاي H,G بسيار بيشتر از ساير كلاس‌ها به كار مي‌روند.
كلاسهاي H,G : براي استفاده تا اعماق ft 8000 ) 2440 m ) و به عنوان سيمان پايه براي چاه‌ها به كار مي‌روند. اما با استفاده از شتابگرها و كندگرها مي‌توان آن‌ها را تا اعماق بسيار بيشتر و دماهاي بسيار بالاتري به كار برد. در حين ساخت اين دو سيمان، هيچ افزاينده‌اي به جز سولفات كلسيم و آب نبايد به كلينگر اضافه شود. اين كلاس‌هاي سيمان در انواع MSR و HSR موجود مي‌باشند.
تركيب شيمايي اين دو كلاس اساسا يكسان است. تنها فرق اساسي آن‌ها مساحت سطحشان مي‌باشد. كلاس H بسيار زمخت‌تر و درشت دانه تر از كلاس G مي‌باشد. اين امر ميزان آب مورد نياز اين دو كلاس را نيز متفاوت مي‌سازد.

طبقه‌بندي ASTM:
در اين سيستم 5 كلاس سيمان وجود دارند كه 3 كلاس اول داراي زيرگروه‌هايي نيز هستند.
نوع I : اين نوع سيمان پورتلند با نام سيمان همه منظوره شناخته مي‌شود. كاربرد آن در كارهاي ساختماني و مخصوصا در ساخت بتون از پيش فشرده، مي‌باشد.  محدوديت اين سيمان اين است كه درصد C3A نبايد از 15 درصد تجاوز كند.
نوع II: به منظور داشتن مقاومت متوسط در برابر سولفات‌ها، بدون گرماي هيدراسيون ( يا با گرماي هيدراسيون متوسط ) ساخته مي‌شود. هزينه آن تقريبا برابر سيمان نوع اول است. يك محدوديت در مورد اين سيمان اين است كه ميزان C3A نبايد از 8 درصد تجاوز كند، زيرا اين ماده مقاومت در برابر سولفات‌ها را پايين مي‌آورد. كاربرد اصلي آن در ساخت بناهايي است كه در معرض سولفات‌ها هستند و يا زماني كه بتون در معرض خاك يا آب زيرزميني حاوي گوگرد قرار مي‌گيرد، اين نوع سيمان به كار مي‌رود.اين نوع سيمان به علت تشابه قيمت آن با نوع ( I) توليد و استفاده مي‌گردد.
نوع III : داراي استحكام اوليه بالايي است. اين سيمان شبيه نوع (I) است و فقط ريزدانه تر مي‌باشد و مساحت سطح ذرات آن 50 تا 80 درصد بالاتر است. ميزان گچ آن نيز مقدراي بالاتر است.
اين خصوصيات باعث مي‌شوند كه استحكام ايجاد شده در آن در سه روز اول برابر استحكام هفت روز در سيمان‌هاي نوع I و II و استحكام هفت روزه آن برابر استحكام 28 روزه نوع I و II شود. تنها محدوديت آن اين است كه استحكام 6 ماهه‌اش، برابر ( يا مقداري كمتر ) از استحكام 6 ماهه نوع I و II مي‌باشد اين به معناي كاهش استحكام درازمدت سيمان نوع III است.
نوع IV : اين سيمان داراي گرماي هيدارسيون كمي است. درصد تركيبات آن گوياي اين هستند كه ميزان C2S و C4AF در آن بالا و C3S و C3A پايين مي‌باشند. ( نسبت به ساير انواع سيمان ) محدوديت اين سيمان اين است كه ماكزيمم درصد C3A بايد برابر 7 و ماكزيمم درصد C3S برابر %35 باشد. به همين دليل گرماي هيدراسيون آن به آرامي آزاد شده و ايجاد استحكام در آن كند مي‌باشد. بعد از گذشته 1 يا 2 سال ميزان استحكام آن از ديگر انواع سيمان بيشتر مي‌شود.
نوع V : زماني كه مقاومت بالا در برابر سولفات‌ها نياز باشد، به كار مي‌رود. اين سيمان درصد بسيار پاييني C3A دارد كه منجر به مقاومت بالا در برابر سولفات‌ها مي‌شود. ماكزيمم درصد C3A براي اين سيمان %5 است.

محدوديت ديگر آن، اين است كه ميزان درصد ( C4AF + 2C3A ) نبايد از 20 درصد تجاوز كند.

انواع IIIa , IIa , Ia : اين انواع به ترتيب داراي تركيب يكساني با انواع III,II ,I دارند. تنها تفاوتشان اين است كه يك عامل هوا دهنده در مخلوط دوغابشان به كار مي‌رود و منجر به مقاومت بالاي سيمان در برابر يخ زدگي در دماهاي پايين مي‌شود. ضمن اينكه براي اين سيمان‌ها برخي خواص بيشينه و كمينه در دستورالعمل ASTM آمده است.