Лабораторная работа 5 Оценка седиментационной устойчивости цементного раствора Теоретические предпосылки

• Название: Лабораторная работа 5 Оценка седиментационной устойчивости цементного раствора Теоретические предпосылки
• Дата: 19.05.2023
• Размер: 54.5 Kb.
• Имя файла: Part3-Test5_FreeWater.doc
• Тип: Лабораторная работа; #1144598

Лабораторная работа №5
Оценка седиментационной устойчивости
цементного раствора

Теоретические предпосылки

В составе цементного раствора всегда присутствует дисперсионная среда и дисперсная фаза. В качестве дисперсной фазы выступает цементный порошок и добавки, нерастворимые в дисперсионной среде. Дисперсионной средой является жидкость затворения. При затворении цементного раствора примерно третья часть жидкости затворения идет на реакцию с компонентами цементного порошка. Остальная часть в виде свободной воды позволяет раствору иметь ту или иную подвижность.

Со временем эта свободная вода может выделяться из раствора, что приводит в конечном счете к неполному цементированию интервала. Разделение раствора на жидкую и твердую фазы происходит из-за того, что твердая фаза, имея более высокую плотность по сравнению с жидкостью затворения, образуя структуру раствора, осаждается вниз под действием силы тяжести. Свободная вода, в свою очередь, поднимается вверх относительно образовавшейся структуры.

При проведении экспериментов можно наблюдать образование воды на поверхности раствора, а также расслоение раствора на пачки цемента и воды, образование каналов, по которым поднимается вверх жидкость затворения. В реальных условиях скважины это означает, что по этим каналам и расслоениям в процессе дальнейшей эксплуатации может поступать пластовый флюид. Таким образом, прочного надежного сцепления и герметизации в заколонном пространстве скважины мы не получим.

Этот процесс, проходящий в статических условиях, назван водоотделением.

Чтобы в заколонном пространстве создавался прочный и надежный камень, и была бы обеспечена герметичность крепи, цементный раствор должен выделять не более 2% воды от общего объема раствора. Такое требование предъявляют на цементный раствор все применяемые в мире стандарты и спецификации по техническим условиям и методам испытаниям цементных растворов.

Для снижения количества выделяющейся воды в раствор вводят специальные добавки, связывающие воду.
Определение коэффициента водоотделения цементного раствора

Применяемые материалы

• 
  испытуемый цемент;
  
• 
  добавки и жидкость затворения в соответствии с принятой рецептурой.
  

Применяемое оборудование

• 
  сито с размером ячеек 850 мкм;
  
• 
  электронные или механические весы с точностью измерения в пределах 0,01 г;
  
• 
  контейнеры для взвешивания сыпучих материалов и добавок;
  
• 
  мерные цилиндры и мензурки для взвешивания жидких материалов и добавок;
  
• 
  мешалка постоянной скорости со скоростью вращения не менее 12000 об/мин (по Спецификации 10А АНИ);
  
• 
  лопастная мешалка постоянной скорости со скоростью вращения не менее 1500 об/мин (по ГОСТ 26798.1-96);
  
• 
  шпатель;
  

по ГОСТ 26798.1-96 дополнительно необходимо:

• 
  мерные цилиндры вместимостью 20 мл и 250 мл с точностью измерения0,2 мл;
  
• 
  непроницаемый материал на горловину цилиндра;
  
• 
  пипетка или шприц на 5 мл для отбора выделившейся воды;
  
• 
  секундомер или часы;
  

по спецификации 10А АНИ дополнительно необходимо:

• 
  атмосферный консистометр или консистометр высокого давления;
  
• 
  непроницаемый материал на горловину цилиндра
  
• 
  шприц на 5 мл для отбора выделившейся воды;
  

На соответствие техническим условиям:

• 
  500 мл коническая колба (рис. 3.7.);
  
• 
  секундомер или часы
  

На соответствие скважинным условиям:

• 
  100 мл или 250 мл мерный цилиндр с точностью измерения0,2 мл;
  
• 
  водяная баня или автоклав;
  
• 
  секундомер или часы
  

Методика выполнения лабораторной работы

а. по ГОСТ 26798.1-96

Для проведения теста по водоотделению необходимо приготовить 250 мл цементного раствора. Приготовленный раствор переливают в 250 мл мерный цилиндр, накрывают фильтровальной бумагой, смоченной в воде, для предотвращения испарения воды из раствора, и оставляют при нормальных условиях на два часа. После этого измеряют количество (V_в) выделившейся воды. Отбор воды из цилиндра можно проводить с помощью пипетки и измерять количество воды с помощью мерного цилиндра на 20 мл. Другой вариант, отбирать и измерять воду с помощью шприца.



Рис. 3.7. Размеры конической колбы для проведения теста
по водоотделению в соответствии со Спецификацией 10А АНИ
на технические условия.
б. по Спецификации 10А АНИ на соответствие техническим условиям

Для проведения теста замешивают 550 мл раствора. После приготовления цементного раствора, исследуемый образец прогревают в атмосферном консистометре при температуре 27С в течение 20 минут. Затем образец переливают в коническую колбу (рис. 3.7), закрывают ее непроницаемым материалом для предотвращения потерь выделяемой воды и оставляют при комнатной температуре (23С) в течение 2 часов. По прошествии заданного времени измеряют количество (V_в) выделившейся воды с помощью шприца.

в. по Спецификации 10А АНИ на соответствие скважинным условиям

После приготовления требуемой порции исследуемого цементного раствора, его необходимо поместить в рабочий цилиндр консистометра. В зависимости от скважинных условий, в которых применяется раствор, при температуре до 80С можно использовать атмосферный консистометр, а при температуре свыше 80С - консистометр высокого давления.

Консистометр применяется для предварительной выдержки цементного раствора при температуре, соответствующей скважинным условиям.

Рабочий цилиндр консистометра вместе с раствором устанавливают в консистометр при комнатной температуре, чтобы не допустить резкого воздействия температуры на раствор. Далее раствор нужно прогреть перемешивая до той наибольшей температуры, при которой он будет находиться в скважине. Желательно, чтобы период времени, за который изменяется температура, должен соответствовать времени, за которое раствор достигнет глубины скважины с ожидаемой наибольшей температурой.

После достижения требуемой температуры, раствор перемешивают при этой температуре в течение 20 минут. Далее для определения количества выделившейся из раствора жидкости применяют один из описываемых ниже способов.

Способ 1: Водоотделение при постоянной внутрискважинной температуре

Приготовленный прогретый раствор переливают в мерный цилиндр. Цилиндр накрывают непроницаемым материалом для предотвращения выпаривания выделяющейся жидкости. Заполненный цилиндр помещают в водяную баню, температура в которой будет соответствовать скважиным условиям.

Раствор оставляют в бане на два часа. После этого цилиндр вынимают из бани и измеряют количество выделившейся воды (V_в). Точность измерения должна составлять 0,2 мл.

Если температура теста менее 80С, то в водяной бане для дальнейшего прогрева можно применять воду. В случае если рабочая температура превышает 80С, рекомендуется использовать для поддержания температуры автоклавы, способные работать при высоких температурах. Необходимым условием при проведении теста с высокими температурами является создание на образец противодавления для предотвращения выкипания выделяющейся жидкости. После двухчасового выдерживания образца в автоклаве, температуру в нем снижают до 80С, чтобы можно было безопасно извлечь образец.

Способ 2: Водоотделение при постоянной температуре окружающей среды на поверхности

После приготовления цементного раствора исследуемый образец перемешивают в атмосферном консистометре при комнатной температуре в течение 20 минут. Затем 250 мл раствора переливают в мерный цилиндр. Цилиндр накрывают непроницаемым материалом для предотвращения испарения выделяемой воды и оставляют на два часа при комнатной температуре. Через два часа измеряют количество выделившейся воды. Точность измерения должна составлять 0,2 мл.

Обработка результатов

Коэффициент водоотделения (n_в%) для цементного раствора при любом способе тестирования определяют по формуле

(3.26)

где Vв - объем выделившейся жидкости, мл

Vцр - объем испытуемого цементного раствора, мл
оценка седиментации цементного раствора

Применяемые материалы

• 
  испытуемый цемент;
  
• 
  добавки и жидкость затворения в соответствии с принятой рецептурой.
  

Применяемое оборудование

• 
  сито с размером ячеек 850 мкм;
  
• 
  электронные или механические весы с точностью измерения в пределах 0,01 г;
  
• 
  контейнеры для взвешивания сыпучих материалов и добавок;
  
• 
  мерные цилиндры и мензурки для взвешивания жидких материалов и добавок;
  
• 
  мешалка постоянной скорости со скоростью вращения не менее 12000 об/мин (по Спецификации 10А АНИ);
  
• 
  лопастная мешалка постоянной скорости со скоростью вращения не менее 1500 об/мин (по ГОСТ 26798.1-96);
  
• 
  шпатель;
  

по российской методике дополнительно необходимо:

• 
  мерный цилиндр вместимостью по 250 мл с точностью измерения 0,2 мл;
  
• 
  непроницаемый материал на горловину цилиндра;
  
• 
  штатив с двумя лапками;
  
• 
  секундомер;
  

по спецификации 10А АНИ дополнительно необходимо:

• 
  цилиндр для седиментации (рис. 3.8.);
  
• 
  водяная баня или автоклав;
  
• 
  секундомер или часы
  

Методика выполнения лабораторной работы

а. по российской методике

Для качественного суждения о седиментационнои устойчивости в стеклянные цилиндры, закрепленные в штативе (один - вертикально, а второй - под углом 10—15° к вертикали) наливают цементный раствор, приготовленный в мерном стакане, и оставляют в покое примерно на 2 ч (но не более срока начала загустевания). Через каждые 15 мин внимательно осматривают внешнюю структуру столбов раствора. Если цементный раствор седиментационно неустойчив, в нем образуются каналы, трещины или пояса, заполненные дисперсионной средой, причем по каналам дисперсионная среда поднимается вверх, пока не завершится процесс седиментации. Результатами наблюдений является запись характера изменения структур в течение времени, а также различия в характере изменения структуры столбов растворов в вертикальном и наклонном цилиндрах.
б. по спецификации 10А АНИ

После затворения раствора из него необходимо удалить пузырьки воздуха. Заполнить цилиндр (рис. 3.8.) приготовленным раствором. Установить заполненный цилиндр в автоклав. Создать в автоклаве температуру и давление, которые соответствуют внутрискважинным условиям. Оставить образец в автоклаве при заданных условиях на 24 часа. Извлечь цилиндр из автоклава и охладить до 27^ОС. Образовавшийся цементный столб разделить на части. Две части по 20 мм снизу и сверху, остальную часть разделить на равные части в количестве не менее 2. Сохранить нарезанные образцы в воде. Определить плотность каждого образца, используя закон Архимеда.



Рис. 3.8. Цилиндр для проведения теста по Спецификации 10А АНИ на определение седиментации раствора
Разница плотностей, выраженная в процентах вычисляется по формуле



где _ОБР - измеренная плотность образца цементного камня, кг/м³

_ЦР - плотность цементного раствора, кг/м³

Разница плотностей зависит от цементного раствора и термобарических условий теста