Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине Физикохимические процессы твердения и коррозии цементного камня для студентов специальности 090800 Бурение нефтяных и газовых скважин очной и заочной (полной и сокращенной) форм обучения
 Скачать 2.86 Mb.
|
Рисунок 4 - Прибор ВИКа1- стойка, 2- винт, 3- игла, 4- шкала, 5- конус. По мере роста прочности структуры раствора, сопротивление погружению иглы в него возрастает и наступает момент, когда игла не в состоянии погрузиться. Время, прошедшее от момента затворения тампонажного раствора до момента, когда игла, погружаясь в раствор, не доходит на 1-2 мм до основания формы, условно называют началом схватывания. Время, прошедшее от момента затворения тампонажного цемента до момента, когда игла погружается в образец не более чем на 1 мм, условно называют концом схватывания. За момент затворения принимается момент ввода воды в цемент. Подготовка и проведение испытания Принцип метода заключается в том, что в исследуемый цементный раствор с заданной постоянной высоты периодически погружают иглу определенной массы и диаметра. Порядок проведения испытаний: - рабочие поверхности кольца ВИКа и подставки смачивают маслом для уменьшения адгезии тампонажного камня; - приготовить раствор и заполнить кольцо ВИКа доверху. Отметить по часам время момента ввода воды в цемент, через некоторое время снять насадку с кольца и срезать избыток раствора вровень с краями кольца. Накрыть кольцо пластинкой; первый замер производят по истечении запланированного времени. Перед погружением нижний торец иглы устанавливают на одной высоте с верхним уровнем образца раствора. Опустив стопор, дают возможность игле свободно погружаться в образец, наблюдая по шкале, на сколько миллиметров она не достигла основания. Погружение повторяют дважды, занося в журнал среднее арифметическое значение и время замера. В процессе опыта следует оберегать образец от толчков, а иглу от искривления. После каждого погружения иглу протирает досуха, погружают ее каждый раз в новое место на одинаковом расстоянии от стенки кольца. Интервалы между последующими замерами зависят от интенсивности структурообразования. Чем больше разница между смежными результатами измерений, тем короче должен быть интервал времени между замерами. Если время начала и конца схватывания не зафиксировано, то оно определяется экстраполяцией по полученным результатам. Контрольные вопросы Прибор для определения сроков схватывания тампонажного раствора. Принцип замера сроков схватывания на приборе Вика. Что называют началом срока схватывания тампонажного раствора? Что называют концом срока схватывания тампонажного раствора? Задание Определить сроки схватывания следующих тампонажных составов - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.5 - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, Na2SiO3 – 10% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, CaCl2 – 8% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, ССБ – 5% 4.4. Измерения консистенции и срока загустевания цементного раствора Консистенция тампонажного раствора также как и растекаемость является показателем подвижности тампонажного раствора. По консистенции судят о возможности прокачивания тампонажного раствора в заданный интервал при креплении скважин. Средства контроля Требования ГОСТ 26798.1-96 и 26798.2-96 Консистометр, работающий при атмосферном давлении для испытания цементов, предназначенных для низких, нормальных и умеренных температур (КЦ-5). Консистометр представляет собой герметичную камеру, в которую помещен цилиндрический контейнер для цементного теста с лопастным перемешивающим устройством. Пространство между контейнером и стенками камеры должно быть заполнено маслом, вязкостью от 5 до 100 Вс. Консистометр, работающий при повышенном давлении, для испытания цементов, предназначенных для повышенных температур (КЦ-3, КЦ-4). Допускается применение данного консистометра для испытаний цементов, предназначенных для низких, нормальных и умеренных температур, эксплуатируемого в данном случае при атмосферном давлении. Частота вращения консистометров должна быть (1505) об/мин. Консистометры должны быть откалиброваны в соответствии с инструкцией к прибору. Консистометр КЦ-5, представляет собой своеобразную механическую мешалку (рисунок 5), состоит из стакана для цементного раствора 1 приводимого во вращение электродвигателем 3 и рамки с полостями 2, помещаемой внутрь стакана. При вращении стакана, заполненного цементным раствором, между раствором и лопастями возникают силы трение приводящие к повороту рамки и закручиванию калиброванной пружины.
Рисунок 5 - Консистометр КЦ-5 1- стакан, 2-рамка, 3-электродвигатель, 4- редуктор, 5- кронштейн, 6- станина, 7- нагреватель, 8- водяная баня, 9- шкала, 10 –термометр. Шкала консистометра 9 градуирована либо в единицах консистенции, либо в градусах, соответствующих углу закручивания измерительной пружины. В последнем случае к консистометру прилагают тарировочную кривую зависимости между углом закручивания пружины в градусах и единицам консистенции (ПаС) раствора. Время за которое консистенция раствора достигает - 30 условных единиц консистенции (УЕК) от начала его перемешивания, называют временем загустевания. За единицу УЕК принимают угол, на который повернется рамка прибора, если стакан будет заполнен ньютоновской жидкостью с динамической вязкостью 1мПас. Начальную консистенцию тампонажного раствора определяют через 20 мин. испытания. Цементный раствор считается достаточно подвижным, если его начальная консистенция не превышает 10-15 УЕК. Процесс измерения заканчивают при достижении консистенции 50УЕК. Подготовка и проведение испытания - при подготовке консистометра к эксперименту следует провести его холостой пуск. В рабочем положений рамка с лопастями не должна касаться внутренней поверхности вращающегося стакана; что подтверждается нулевым отчетом по шкале при включении двигателя и остановки (условный нуль соответствует 5 УЕ); - снимают стакан и заливают в него до риски на внутренней поверхности тампонажный раствор (650 см3); - стакан фиксируется в рабочем положении с помощью байонетного замка; - снаружи устанавливают электронагревательное устройство, заполненное необходимым количеством воды; - время от момента затворения тампонажного материала до момента пуска прибора не должно превышать 10 мин (для цементов типа I, II, III ГОСТ26798.2-96) и 5 мин (для цементов типа I-G и I-H ГОСТ26798.1-96); - скорость нагревания контролируют по показателям термометра и регулируют путем изменения напряжения питания электронагревателя, Интенсивность нагрева устанавливают в соответствии с заданием на испытание обычно 0,6-2,5 °С в мин.; - после включения электродвигателя и системы нагрева через каждые 5 мин. записывают температуру раствора и показания по шкале прибора; - время загустевания цементного теста считают время от начала затворения цемента водой до момента достижения цементным тестом консистенции 30 Вс. (для цементов типа I, II, III ГОСТ26798.2-96) и 100 Вс (для цементов типа I-G и I-H ГОСТ26798.1-96). Вс – единицы консистенции Бердена Контрольные вопросы1. Прибор для определения сроков загустевания и консистенции тампонажного раствора. 2. Принцип замера консистенции тампонажного раствора на приборе КЦ-5. 3. Калибровка прибора КЦ-5. Задание Определить сроки загустевания следующих тампонажных составов при температуре 20-25 0С - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.5 - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, Na2SiO3 – 5% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, CaCl2 – 8% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, ССБ – 5% 4.5. Определение водоотделения (седиментационной устойчивости) тампонажного раствора Седиментация как явление – это процесс осаждения твердой фазы из раствора под действием силы тяжести. На начальной стадии твердения значительное количество воды затворения находится в несвязанном виде, силы взаимодействия между частицами малы. Поэтому имеется вероятность седиментации твердой фазы тампонажного раствора. Оседающие цементные частицы приводят к потере однородности раствора и усилению седиментационных процессов. Седиментационная неустойчивость тампонажных растворов вызывает нарушение сплошности столба тампонажного раствора в затрубном пространстве (образование водяных поясов) и способствует увеличению проницаемости цементного камня. Под воздействием сил гравитации при затвердевании тампонажного раствора происходит разделение твердой и жидкой фаз. Объем, занимаемый твердой фазой при водоцементном отношении (В/Ц) равном 0.5, не превышает 40%. Существует период, во время которого образующиеся поры сообщаются друг с другом и окружающей средой. В этот момент возможен прорыв пластового флюида через цементный раствор, что приводит в последствии к возникновению проявлений в заколонном пространстве. Средства контроля Мерные цилиндры вместимостью 20 см3 с ценой деления не более 0,2 см3 и 250 см3 высотой градуированной части не менее 230 и не более 250 мм. Пипетки по ГОСТ 29227. Для испытания цементов I-G, I-Н требуется дополнительно консистометр, работающий при атмосферном давлении и смеситель. Подготовка и проведение испытания Цементное тесто заливают в два цилиндра до отметки 250 см3 в каждом и оставляют для отстаивания. В течение всего времени испытания цилиндры должны стоять неподвижно и не подвергаться толчкам. Через 2 ч ±5 мин отделившуюся на поверхности цементного теста воду отбирают пипеткой в мерный цилиндр вместимостью 20 см3 и замеряют объем отделившейся воды в каждом цилиндре. Объем отделившейся воды (водоотделение) в миллилитрах регистрируют. За водоотделение принимают среднеарифметическое значение результатов двух параллельных замеров, расхождение между которыми не должно быть более 0.2 мл. Результат вычисления округляют до 0,1 мл. По требованиям ГОСТ 26798.2-96 для цементов типа I-G, I-Н требуется дополнительное перемешивание на консистоматре в течениие (200,5) мин при температуре (271)0С. Контрольные вопросы Седиментация как физическое явление. Принцип замера водоотделения тампонажного раствора. Различия в методах определения водоотделения для различных типов тампонажных портландцементов Задание Определить водоотделение следующих тампонажных составов - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.5 - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.4 - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, песок кварцевый 5% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, песок кварцевый 15% 4.6. Измерение водоотдачи цементного раствора Требования к водоотдаче тампонажного раствора Гостом 1581-96 не предъявляются. Способность цементного раствора удерживать воду при наличии фильтрующей среды и перепада давления характеризуется скоростью водоотдачи. Водоотдачей (фильтрацией) называют объем жидкой фаза, отфильтровавшейся из пробы тампонажного раствора при замере, проведенном в стандартных условиях. Средства контроля прибор ВМ-6; секундомер. Стандартными условиями замера: 1. Время замера - 30 мин. 2. Площадь фильтрации - 44 см2, диаметр круглого фильтра 75 мм, 3. Перепад давления - 0,1 МПа, Измеряют водоотдачу в стандартных условиях при температуре окружающего воздуха 202°С. Порядок испытания: - собирают фильтрационный узел прибора ВМ-6 (рисунок 6). При этом на решетку накладывают два кружка фильтровальной, бумаги, слегка смоченных водой; - готовят 300 см3 цементного раствора. После 3-х минутного перемешивания раствор заливают в фильтрационный стакан, так чтобы уровень раствора не доходил до верхнего края горловины на 4-5 мм; - на горловину стакана навинчивают напорный цилиндр и заполняют его машинным маслом. Уровень масла не должен доходить до края цилиндра на 5-10 мм; - в цилиндр вставляют поршень шкалы и устанавливают с помощью игольчатого клапана риску, нанесенную на втулке цилиндра, против нулевого деления шкалы; - вынимают резиновую пробку, в фильтрационном узле и одновременно включают секундомер. По работающему секундомеру отмечают положение риски через 10, 15, 20, 25, 30, 45 с. и 1,2,3,5,10 мин с момента открытия пробки; скорость водоотдачи, цементного раствора принято выражать условной величиной - водоотдачей за 30 мин., которая получается путем экстраполяции данных о количестве фильтрата, выделившегося из цементного раствора за указанные выше промежутки времени; - для экстраполяции строится зависимость количества отфильтровавшейся жидкости от времени в двойных логарифмических координатах, которая обычно представляет собой прямую линию. Продолжив эту прямую пересечения с ординатой, соответствующей 30 мин, получают условную водоотдачу за 30 мин. Контрольные вопросы Что называется водоотдачей тампонажного раствора? Прибр ВМ-6, основные элементы конструкции. Принцип замера водоотдачи тампонажного раствора на приборе ВМ-6. Стандартные условия для проведения испытаний. Задание Определить водоотачу следующих тампонажных составов: - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.5 - ПЦТ – 500 г, В/Ц =0.4 - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, КМЦ – 2% - ПЦТ – 500 г, В/С = 0.5, крахмал модифицированный 1,5%  Рисунок 6 – прибор для определения водоотдачи тампонажного раствора ВМ-6 I - основание; 2 - груз-шкала; 3 - фильтрационный стакан 4 - обеззоленные фильтры; 5 -прокладка; б - цилиндр; 7 - плунжер; 8 - игла; 9 – пробка. 4.7. Определение предела прочности образцов тампонажного камня 4.7.1. Определение предела прочности образцов тампонажного камня на изгиб ГОСТ 26798.1-96. Прибор МИИ-100 Цементный камень с обсадной колонной должен представлять жесткую конструкцию. Цементный камень воспринимает часть нагрузок, приходящихся на колонну, поэтому увеличение механической прочности приведет к некоторому повышению несущей способности обсадных труб. Определяющим фактором является упругость материала и его жесткость. Чем более «жесткий» материал, тем при перепадах давления трудно деформироваться трубе, если в такой же мере возрастет и прочность камня. Источниками разрушающей нагрузки являются: горное давление и гидростатическое давление столба, внутреннее давление в обсадной колонне, ударные нагрузки в результате спуско-подъемных операций при бурении скважин и давлений, проведении гидроразрыва пластов, перепад давления при испытании и освоении скважин. Средства контроля - Средства контроля для приготовления тампонажного раствора. - Для цементов типа I, II, III. Формы для цементных образцов размерами 4040160 мм при испытании цементов для низких, нормальных и умереннных температур. Форма размером 2020100 мм при испытании цементов для повышенных температур. - отклонения поперечных размеров балочек от номинала не должно превышать 0,2 мм. Формы изготавливаются из стали твердостью НРС 45-50. - отдельные детали форм для удобства сборки должны быть занумерованы. Продольные и поперечные стенки форм должны быть отшлифованы сверху и снизу и плотно прилегать к отшлифованной поверхности поддона; - шкаф для воздушно-влажного хранения и ванна для водного хранения образцов по СТСЭВ 3920-02; - прибор для испытания на предел прочности при изгибе цементных балочек. Для определения прочности при изгибе применяют автоматизированные машины МИИ-100, у которых счетчик показывает результат испытания непосредственно в кгс/см . Подготовкаи проведение испытаний - подготовка форм: для этого следует очистить, смазать маслом и собрать две формы. Герметизировать пластилином места соединений деталей формы. Проверить герметичность форм, наполнив их водой. - формы заполняют тампонажным раствором в два приема: сначала их заполняют наполовину, а затем до верхнего обреза надставки. После загустевания избыток раствора срезать вровень с краями формы. - формы с раствором помешают в термостат или шкаф воздушно-влажного хранения в зависимости от условий твердения, где хранят при заданных значениях температуры. После выхода на режим температура должна поддерживаться с точностью 3°С. - формы с образцами для низких и нормальных температур размещают в шкаф воздушно-влажного хранения. Через (241 ч) с момента изготовления образцы расформировывают, маркируют и погружают в ванну с водой, где хранят до проведения испытаний. Для цементов типа I-G, I-H время выдержки образцов в термостате 7 ч 15 мин. - образцы для которых нормативным документом установлен срок испытаний 1 сут., охлаждают в ванне с водой при температуре (202) 0С в течении 1 ч. 30 мин. - формы с образцами для умеренных температур покрывают стеклянной или металлической пластинкой и загружают в термостат, прогретый до режимной температуры. Через (241 ч) образцы расформировывают и маркируют. Воду в термостате меняют каждые 6 дней, предварительно нагревая ее до температуры 75 3°С. - образцы должны храниться в один ряд на расстоянии не менее 1 см один от другого, уровень воды должен перекрывать поверхность образцов не менее чем на 2 см. - непосредственно перед испытанием с поверхности образцов удаляют капли воды. - для испытания используют четыре образца. Образец-балочку устанавливают на опоры прибора той гранью, которая при формировании образца контактировала с перегородкой формы. - образец устанавливается на опорные валики 1 машины МИИ-100 (рисунок 5). С помощью маковка 2 устраняют зазоры системы нагружения, таким образом, чтобы указатель на корпусе прибора показывал "0" шкалы. Включают электродвигатель 3, который через редуктор 4 с помощью кодового винта 5 перемещает груз 6 вдоль по раме 7 машины. Рама машины шарнирно соединена с корпусом. По мере перемещения груза по раме возрастает усилие, передаваемое тягой 8 на конец рычага 9 и далее на систему установки образца. - предел прочности при изгибе рассчитывают как среднеарифметическую величину из трех наибольших значений. Расчет ведется до третьей значащей цифры. 4.7.2. Измерение предела прочности образцов тампонажного камня на изгиб ультразвуковым способом. Наряду с механическими методами в настоящее время широкое распространение получил ультразвуковой импульсный способ (неразрушающий) контроля прочности и деформативных свойств цемента. Высокая чувствительность акустического метода к изменению структура твердеющих цементных паст позволяет использовать его как для изучения кинетики процесса структурообразования, так и для оценки прочности по корреляционной зависимости и скорость ультразвука - прочность цементного камня. Средства контроля - приборы - "Бетон-8", “Бетон-12", “Бетон-22” конструкции ВНИИЖБ. Проведение испытания: - образцы-балочки протирают ветошью и измеряют штангенциркулем их геометрические размеры; - приборы Бетон-8, Бетон-12, Бетон-22 измеряют время пробега ультразвуковых колебаний (Т), мкс; - вычисляют скорость пробега ультразвуковой волны С=L/T где L - линейный размер образца, определенный с помощью штангенциркуля, в направлении прозвучивания, м; Т - время пробега, УЗК, мкс.; |
