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.
|
Определяют прочность цементного камня на изгибрасч=2,1с2-5,8с +4,6 где расч. - прочность цементного камня на изгиб по скорости УЗК, МПа; с - скорость звука в образце км/с.  Рис. 5. Принципиальная схема установки МИИ- 1001- опорные валики, 2- маховик, 3- электродвигатель, 4- редуктор, 5 – ходовой винт, 6- груз, 7- рама. Данная корреляционная зависимость применима только для тампонажных материалов, включающих портландцементы по ГОСТ 1581-96 различных заводов, с различными химическими добавками при водоцементном отношении от 0,4 до 0,6 и сроках хранения от 1 суток до 3-х месяцев в температурном интервале от минус 5 до 80°С. При добавлении в цемент большого количества воздухо-вовлекающих добавок, приводящих к значительному погашению звуковых колебаний, метод неразрушающего контроля прочности цементного камня не применим. Зная скорость УЗК и плотность цементного камня, (), определяют динамический модуль упругости Е = 0,833 с2 Уравнение действительно для любой системы единиц при условии, что Е, , с выражаются в соответствующих единицах. Контрольные вопросы 1. Механический метод определения прочности образцов тампонажного камня. 2. Ультразвуковой метод определения прочности образцов тампонажного камня. 3. Подготовка образцов цементного камня для проведения испытаний. 4. Преимущества и недостатки ультразвукового метода определения прочности образцов тампонажного камня. 5. Преимущества и недостатки механического метода определения прочности образцов тампонажного камня. Задание Определить прочность образцов цементного камня на изгиб 2-х и 7-ми суточного твердения, сформированных из следующих тампонажных составов и выдержанных при температуре 20-25 0С. - 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, борная кислота 0.25% 4.8. Определение предела прочности цементного камня при сжатии ГОСТ 26798.2-96.Для цементов типа I-G, I-H Средства контроля - Средства контроля для приготовления тампонажного раствора. - формы для цементных образцов кубиков размерами 50´50´50 мм. - машина для испытаний на сжатие. Для испытания на сжатие может быть использована пресслюбой конструкции с предельной нагрузкой до 500 кН и имеющая приспособление для измерения нагрузки с погрешностью не более 1%. - водный термостат для выдержки образцов кубиков при атмосферном давлении и температуре 20 (60) 0С. Термостат должен быть размером, обеспечивающим полное погружение образцов в воду и иметь мешалку или систему циркуляции воды, а также приборы для измерения температуры. Термостат должен быть заполнен дистиллированной водой. - трамбовочный стержень диаметром (61) мм из стекла или некорродирующего материала. ванна для охлаждения образцов. пластины из нержавеющей стали для передачи сжимающей нагрузки на образцы с рабочей поверхностью 40х50 мм. Подготовка и проведение испытания - собирают форму размером 505050 мм. Внутренние грани отдельной формы должны быть сухими и чистыми и непосредственно перед изготовлением смазаны тонким слоем машинного масла. Наружные ребра и основание формы для герметичности смазывают температуроустойчивой смазкой. - форму наполняют цементным тестом на половину ее глубины поочередно во все отделения и утрамбовывают трамбовочным стержнем. После укладки первогослоя оставшееся тесто в контейнере смесителя перемешивают трамбовочным стержнем для исключения расслоения. Затем форму полностью заполняют вторым слоем теста и вновь трамбуют. Избыточное тесто срезают ножом. - форму с образцами накрывают металлической пластиной и помещают в термостат, предварительно нагретый до режимной температуры 38 или 60 0С. Время от окончания перемешивания до установки форм в термостат должно составлять 5 мин 15с. Время выдержки образцов в термостате – 7 ч 15 мин 5с. Формы с образцами извлекают из термостата, расформировывают, образцы маркируют и помещают в воду на (45 5) мин. Образцы следует погружать в ванну с водой заглаженной поверхностью вверх на расстоянии друг от друга. Образцы должны быть испытаны через 8 ч 15мин с момента загружения их в термостат. Перед испытанием удаляют с поверхности образцов следы воды и масла, определяют отклонение от плоскостности граней образца, которые при испытании будут соприкасаться с плитами, передающими нагрузку на образец. В случае если отклонения от плоскостности любой из измеренных граней не удовлетворяет требованиям ГОСТ 26798.2-96 образец бракуют. Испытание на прочности при сжатии следует проводить не менее чем на двух образцах. - образец устанавливается на пресс любыми боковыми гранями, находящимися при изготовлении в контакте с боковыми гранями формы. - по результатам испытаний каждого образца рассчитывают предел прочности при сжатии. Rсж = F/S где F- разрушающее усилие при сжатии, Н; S - площадь опорной поверхности, Предел прочности при сжатии рассчитывают как среднеарифметическое значение результатов испытаний четырех образцов. Результаты вычислений округляют до 0,1 Мпа. Если один из трех результатов испытаний отличается более чем на 10% от среднеарифметического значения, этот результат следует исключить и рассчитывать среднее арифмитическое значение оставшихся двух результатов. Контрольные вопросы 1. Средства контроля для определения предела прочности образцов тампонажного камня на сжатие. 2. Требования к образцам тампонажного камня для определения предела прочности на сжатие. Проведение испытаний по определению предела прочности образцов тампонажного камня на сжатие. Обработка результатов проведения испытаний по определению предела прочности образцов тампонажного камня на сжатие. Задание - 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, борная кислота 0.25% 5. Исследование коррозии цементного камня Различают физическую, химическую, электрохимическую и биологическую коррозии. Физическая коррозия - это выветривание, растворение, разрушение вследствие температурных колебаний характерных для всех видов горных пород. Коррозии растворения носит физико-химический характер Коррозияи выщелачивания. Кристаллогидраты (гидросиликаты, алюминаты и ферриты кальция), образующиеся при взаимодействии с водой клинкерных минералов и составляющие вместе с наполнителями цементный камень, имеют значительную равновесную растворимость в воде, они остаются устойчивыми при контакте с водами, только в том случае, если в воде имеется достаточная концентрация Са(ОН)2. Если концентрация в воде Са(ОН)2 ниже равновесной, то у гидратов будут отщепляться молекулы извести и концентрация будет восстанавливаться до равновесной. Если концентрация гидрата окиси кальция в дальнейшем не будет понижаться, то процесс на этом остановится. Если же концентрация извести будет продолжать понижаться и станет ниже равновесной для вновь образовавшегося гидрата, то отщепление гидрата окиси кальция будет продолжаться вплоть до полного разложения гидросиликатов и гидроалюминатов, с образованием аморфных кремнезема и глинозема. Хотя последние и плохо растворимы в воде, однако они не обладают вяжущими свойствами – прочность и монолитность камня нарушаются. Эти процессы могут наблюдаться, если цементный камень омывается непрерывно обновляющейся водой или растворами солей, имеющими малую концентрацию Са(ОН)2, либо если Са(ОН)2 связываются содержащимися в растворе веществами в прочные малорастворимые или малодиссоциирующие химические соединения (кальция). Химическая коррозия цементного камня происходит в результате химического взаимодействия различных веществ с составляющими цементного камня и образования продуктов реакции. Агрессивными по отношению к цементному камню являются все кислоты и многие соли. Этот вид коррозии имеет место чаще всего, а разрушение происходит наиболее интенсивно. Самым уязвимым веществом в цементном камне является известь. Однако связывание извести (скажем за счет SiO2) еще не исключает коррозии, поскольку она может восстанавливаться за счет отступления от гидратов кальция. Кислоты и некоторые соли вступают в реакцию с Са(ОН)2 и образуют новые соединения, либо легко растворимые в воде, либо непрочные рыхлые, либо кристаллизующиеся со значительным изменением объема. Иногда это все происходит одновременно. Все кислоты разрушают портландцементный камень. Магнезиальная коррозия Если в окружающей цементный камень среде содержатся вещества, образующие с Са(ОН)2 малорастворимые соединения, то концентрация извести в ней будет поддерживаться на очень низком уровне. Например, если в пластовых водах есть MgSO4, то он вступая во взаимодействие с Са(ОН)2 по реакции: Са(ОН)2 + MgSO4 + 2Н2О = Mg(ОН)2 + Са SO4 2Н2О Mg(ОН)2 и гипс имеют очень низкую растворимость в воде. Mg(ОН)2 сам по себе представляет рыхлое аморфное вещество. Если подобный процесс будет продолжаться – цементный камень разрушится. Это магнезиальная коррозия. Подобное действие, но более слабое, оказывает и хлористый магний. Однако, чаще всего процесс затухает по мере накопления Mg(ОН)2 и Са SO4 2Н2О в порах цементного камня кольматаций. Причем накопление этих веществ происходит тем быстрее, а уплотнение пор выше, чем выше основность цемента. Кольматация пор приводит к замедлению проникновения агрессивноного MgSO4. Следовательно, стойкость вяжущего к этому виду коррозии понижается при введении активных минеральных добавок. Отсюда, в таких средах, нельзя применять облегченные цементные растворы с минеральными добавками типа диатомит, опока, трепел, пемза. Шлаковые цементы по магнезиальной стойкости мало уступают портландцементу. Дело в том, что при магнезиальном разложении шлаковых гидросиликатов образуется значительное количество кремнекислоты, отличающейся благодаря особой структуре повышенной плотностью. Она оказывает существенное кольматирующее действие. Однако и в этом случае целесообразно повышать основность шлака. Добавлять глину и активные минеральные вещества к шлаку в этом случае недопустимо. Хлористый магний менее агрессивен чем сернокислый, так как при обмене Са(ОН)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2 образуется хорошо растворимое вещество CaCl2 благодаря которому сохраняется равновесная концентрация ионов Са++. Углекислотная коррозия В пластовых водах, как правило, присутствует то или иное количество углекислого газа. Он действует разрушающе, поскольку понижает содержание Са(ОН)2 окисляя ее сначала до СаСО3, которая мало растворима, что будет вызывать понижение основности гидратов цемента. При поступлении новых порций СО2, СаСО3 окисляется до бикарбоната Са (НСО3)2, который хорошо растворим. При незначительной концентрации Са2 в водах процесс может затухнуть. Однако если кислота содержится в пластовом газе, то вследствие большой проницающей способности, диффузии и осмоса возможно быстрое разрушение камня. Если процесс ограничивается до СаСО3, то следует применять тампонажные материалы, образующие гидросиликаты кальция низкоосновные, если до Са (НСО3)2 – т о высокоосновные. Сульфатная коррозия Это вид коррозии, который связан с образованием соединений кристаллизующихся с увеличением объема. Примером такой коррозии являются взаимодействие с сульфатами кальция и натрия. Известно, что гидроалюминаты кальция могут присоединять гипс и образовывать гидросульфоалюминат. Последний, кристаллизуется с увеличением объема, что вызывает внутренние напряжения и разрушение цементного камня. (3 CaO Al2O3 12H2O + 3(CaSO4 2H2O) + 13H2O = = 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O Однако не всегда наличие гидросульфоалюмината кальция в цементном камне говорит и сульфатной коррозии. Это вещество имеется в первичной структуре цементного камня. Только увеличение количества гидросульфатоалюмината говорит о происходящей сульфоалюминатной коррозии. Одним из методов борьбы с сульфатной коррозией является понижение содержания трехкальциевого алюмината (не более 5%). При этом содержание плавней компенсируется за счет увеличения содержания окиси железа. Наличие в пластовых водах хлоридов уменьшает отрицательное влияние сульфатов. Сероводородная коррозия Это один из распространенных на нефтяных и газовых местрождениях видов коррозии. При сероводородной коррозии наблюдается образование малорастворимых сульфидов кальция, алюминия и железа. Это приводит к понижению равновесной концентрации Са(ОН)2, Al(OH)3, Fe(OH)3, что в свою очередь вызывает разрушение гидратов кальция. Наиболее энергично образуется сульфид железа, поэтому для повышения стойкости против сероводородной коррозии следует ограничивать в цементах содержание окислов железа, марганца и других тяжелых металлов. По отношению к цементному камню безвредны силикаты, карбонаты, щелочи и их соли. Однако сильные щелочи действуют на алюминаты. Электрохимическая и электроосмотическая коррозии. Источник – блуждающие токи (промышленные сети). Система обсадная колонна, цементный камень – земля являются проводниками. В этой системе всегда возможен перенос ионов, отсюда возможны и электрохимическая и электроосмотическая коррозии. Следует отметить, что цементные камни, бетоны (фундаменты) обладают, как правило, определенным электрическим потенциалом по отношению к земле. Биологическая коррозия - Этот вид коррозии изучен мало. Источником этого вида коррозии являются продукты жизнедеятельности микроорганизмов, которые приводят к химической коррозии цементного камня. Многие виды бактерий, которые выделяют углекислоту, что повлечет углекислотную коррозию. Некоторые бактерии могут окислять сульфаты сначала до сероводорода, а затем до серной кислоты. Отсюда и характер разрушения камня. 5.1. Определение водостойкости и коррозионной стойкости цементного камня Водостойкость характеризуется коэффициентом водостойкости, представляющим собой отношение прочности образцов, хранившихся в воде, к прочности образцов, испытанных до погружения в воду. Средства контроля - весы типа ВЛКТ; - прибор "Бетон-8УР" (Бетон-12, 8, 22); - формы для цементных образцов размерами 40х40х160; - штангенциркуль. Подготовка и проведение испытания подготавливают форму для цементных образцов (см.п.4.7.1.); готовят образцы для испытаний. Два контрольных образца и два опытных, подвергающихся коррозионному действию воды. образцы, приготовленные при соответствующем температурном режиме, расформировывают через 15+5 мин после конца схватывания и хранят в течение суток на воздухе во влажной следе, над водной поверхностью при 222 °С или в холодильной камере при 50,5 и 00,5С. контрольные образцы помещают во влажную среду, а опытные помещают в ванну с проточной водой, где их выдерживают в течение одних 1, 3, 7 и 25 суток. Испытание образцов на прочность прибором Бетон (опытных и контрольных) производят одновременно через 1, 3, 7 и 25 суток. Образец перед испытанием протирают сухой тряпкой; в указанные сроки дополнительно фиксируют изменение веса и линейных размеров образцов; смену воды производят два раза в неделю. Показания заносят в таблицу:
По изменению прочности, массы и линейных размеров образцов строят графики зависимости влияния воды на прочность цементного камня и делают вывод о наличии коррозии выщелачивания. Определение коррозионной стойкости цементного камня под действием агрессивных пластовых флюидов и различных химических веществ определяется аналогично. Опытные образцы подвергаются воздействию пластовой воды или растворам химических веществ. 5.2. Определение стойкости цементного камня к циклическому воздействию перемененных температур Цементный камень представляет собой капиллярно-пористую структуру, по порам и капиллярам которого возможна миграция воды. Под действием отрицательной температуры вода, находящаяся в порах и капиллярах замерзает и образуется лед. Объем образовавшегося льда приблизительно на 10% больше объема воды. В результате этого в цементном камне возникают внутренние напряжения, за счет кристаллизационных давлений замерзшего льда, как на стенки пор, так и на не замерзшую воду. Когда величина этих давлений превысит прочность цементного камня на разрыв, в месте их возникновения будут наблюдаться деструктивные процессы, приводящие к образованию микротрещин. При последующих циклах замораживания - оттаивания число микродефектов структуры возрастает и, в конечном итоге, они приводят к разрушению цементного камня. Средства контроля - холодильная камера; - Бетон-8УР, Бетон-12, -22; - формы для цементных образцов размерами 40х40х160. Порядок испытания: подготавливают формы для цементные образцов-балочек. п.4.7.1. приготавливают контрольные и опытные образцы-балочки; выдерживают последовательно при следующих температурах; 48ч. - +5С 48ч. - -5С 24ч. - +5С 48ч. - +20С 1 цикл 24ч. - +5С 48ч. - -5С 48ч. - +5С Всего 288 часов – 12 суток. Второй и последующие циклы включают выдерживание образцов цементного камня при следующих температурах: 48ч - 5С 24ч - +5С 28ч - +20°С 24ч - + 5°С 2-й цикл 48ч - - 5°С 24ч - 5С Всего 216 часов - 9 суток. - по истечении каждого температурного режима образцы цементного камня испытывают, определяя предел прочности при изгибе; - всего проводят три цикла воздействия переменных температур на цементный камень; - контрольные образцы готовят, выдерживают и испытывают при температуре +5°С. Стойкость цементного камня к циклическому воздействию переменных температур характеризуют коэффициентом морозостойкости, представляющим собой отношение прочности на изгиб образцов, выдерживавшихся при переменных температурах, к прочности контрольных образцов. Контрольные вопросыВиды коррозии цементного камня. Коррозия выщелачивания. Коррозия под действием знакопеременных температур. Определение стойкости цементного камня к циклическому воздействию перемененных температур. Определение водостойкости и коррозионной стойкости цементного камня. ЗаданиеОпределить водостойкость и коррозионную стойкость цементного камня следующего состава: -ПЦТ-500, В/Ц-0.4 -ПЦТ-500, В/Ц-0.5 - ПЦТ-500, В/Ц-0.6 Сделать вывод о стойкости цементного камня в зависимости от водоцементного отношения. Список рекомендуемой литературы Булатов А.И. Управление физико-механическими свойствами тампонажньх систем. Недра, 1976 г., С.248. Булатов А.И., Данюшевский B.C. Тампонажные материалы. -М.: Недра, 1987,-280 с. Данюшевский B.C. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам / Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Изд.2-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - С. 373. Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов. - М: Недра, 1978. - 293 с. Овчинников В.П., Кузнецов Ю.С., Агзамов Ф.А., Зозуля Г.П. Физико-химические аспекты регулирования свойств тампонажных и буровых растворов. Уч. Пос. для студентов спец. 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин». Тюмень, 1992. –108 с. Овчинников В.П., Фролов А.А., Шатов А.А., Вяхирев В.И., Сорокин В.Ф., Овчинников П.В.. Солевые и тампонажные композиции на основе вторичных материальных ресурсов производства соды. –М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. –214 с. Вяхирев В. И., Кузнецов Ю.С., Овчинников В.П., Шатов А.А., Кузнецов Е.С.. Специальные тампонажные материалы для разобщения пластов в различных термобарических условиях. –Тюмень: «Вектор Бук», 1997. –240с. Вяхирев В. И., Кузнецов Ю.С., Овчинников В.П., Шатов А.А., Кузнецов Е.С. Специальные тампонажные материалы для разобщения пластов в различных термобарических условиях. –М.: «Недра-Бизнесцентр», 2002.-115с. СОДЕРЖАНИЕ
Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Физико-химические процессы твердения и коррозии цементного камня» для студентов специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной и заочной форм обучения. Тюмень : ТюмГНГУ, 2003.-47 с. Составители: Харламов К.Н., к.т.н., доцент каф. «Бурение н/г скважин» Аксенова Н.А., ассистент каф. «Бурение н/г скважин» Под редакцией – Овчинникова В.П. профессор, д-р. техн. наук Подписано к печати Объем ____________Заказ № Уч.изд.л. Формат 6084 1/16 Усл.печ.л. Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж экз. ___________________________________________________________Издательство «Нефтегазовый университет»Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»625000, Тюмень, Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»625000, Тюмень, Володарского, 38 "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К лабораторным занятиям по дисциплине «Физико-химические процессы твердения и коррозии цементного камня» для студентов специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной и заочной форм обучения
Тюмень - 2003 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||