 |
Перелік лабораторних робіт з дисципліни
|
|
|
|
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З ДИСЦИПЛІНИ
" ЗАКІНЧУВАННЯ СВЕРДЛОВИН"
| № л/р | Назва лабораторних робіт | Кількість годин |
| Вступне заняття. Вивчення питань, які пов’язані з технікою безпеки при роботі з приладами. Ознайомлення з технічним обладнанням лабораторій, коротким змістом робіт і їх значенням для вивчення дисципліни | ||
| Визначення фізичних властивостей порошкоподібних тампонажних матеріалів | ||
| Визначення властивостей тампонажного розчину | ||
| Визначення міцності тампонажного каменю | ||
| Оцінювання водоутримуючої здатності цементних розчинів | ||
| Дослідження ймовірності утворення важкопрокачуваних сумішей тампонажного і бурового розчинів | ||
| Регулювання властивостей тампонажних розчинів з допомогою хімічних реагентів | ||
| ВСЬОГО |
Лабораторна робота №1
ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОРОШКОПОДІБНИХ ТАМПОНАЖНИХ МАТЕРІАЛІВ
Мета роботи: вивчення методики і приладів для визначення густини, ступеня дисперсності та об’ємної (насипної) маси порошкоподібних матеріалів.
1 Визначення густини сухого цементу
Під густиною тампонажного цементу, що містить у своєму складі частинки різної густини, розуміють середньозважену густину речовин, які входять до його складу:
, (1. 1)
де 
– густина тампонажного порошку, кг/м3;
Сі – масова частка і-го компоненту в суміші (цементі);
– густина і-го компоненту, кг/м3.
Значення густини цементів та інших подрібнених тампонажних матеріалів використовують для визначення густини тампонажного розчину при заданому водоцементному відношенні і витрати цементу та порошкоподібних домішок до нього на операцію цементування.
|
|
|
Для визначення густини використовують метод, який грунтується на вимірі об’єму витісненої рідини при засипанні в неї відомої маси досліджуваного матеріалу. В роботі використовується волюметр Ле-Шательє-Кандло, який виготовлений у формі мірної колби об’ємом 100-150 см3 з довгою вузькою горловиною і розширенням на ній (рис. 1. 1). Шкала, що нанесена на горловині, дозволяє виміряти об’єм з точністю до 0, 1 см3. Густину цементу визначають з використанням вуглеводневої рідини – бензину, гасу, дизельного палива, бензолу і т. п. Використовувати для цієї мети воду не можна, щоб запобігти реакції гідратації цементу.
Рисунок 1. 1 - Волюметр Ле-Шательє-Кандло
За густиною можна наближено визначити вид цементу. Тампонажний портландцемент, який не містить у собі домішок, має густину 3100-3200 кг/м3. Якщо в цементі містяться мінеральні домішки, його густина зменшується до 2800-2900 кг/м3, а при більшому вмісті мінеральних домішок (більше 20 %) густина може знизитись до 2700 кг/м3. Безклінкерні тампонажні цементи (наприклад, ШПЦС-200) можуть мати густину 2600-2700 кг/м3. Густина ж цементів, спеціально приготовлених для одержання обважнених цементних розчинів, досягає 3500 кг/м3.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1 За вказівкою викладача необхідну кількість цементу просушують протягом 2 годин в сушильній шафі при температурі 110±5 оС, потім охолоджують в ексікаторі до кімнатної температури.
2 Волюметр заповнюють вуглеводневою рідиною до нульової поділки і за допомогою штатива розміщують в термостаті. Термостат являє собою скляну посудину заповнену водою кімнатної температури.
3 Фільтрувальним папером знімають краплини рідини, які залишилися на горловині колби, і протирають її зсередини.
4 Висушений цемент зважують на технічних вагах з точністю до 0, 01 г в кількості 90-100 г і висипають в прилад через воронку невеликими порціями до тих пір, поки рівень рідини в горловині колби підніметься до відмітки 20 см3. При цьому необхідно стежити, щоб цемент не застряг у горловині приладу або не залишився на його стінках.
|
|
|
5 Для видалення бульбашок повітря прилад необхідно декілька разів енергійно повернути навколо своєї осі і потім уточнити відлік.
6 Залишок проби тампонажного матеріалу знову зважують на технічних вагах.
7 Густину розраховують як середнє арифметичне із результатів двох вимірювань, які відрізняються один від одного не більше як на 20 кг/м3, за формулою:
, (1. 2)
де 
- густина матеріалу, кг/м3;
m1 – маса тампонажного матеріалу, взятого до досліду, г;
m2 - маса залишку тампонажного матеріалу, г;
V – об’єм рідини, витісненої матеріалом, см3.
8. Результати вимірів заносять в таблицю 1. 1.
Таблиця 1. 1 – Результати виміру густини цементного порошку
| № досліду | Матеріал | Маса матеріалу, г | Різниця m1-m2, г | Об’єм рідини, витісненої матеріалом, см3 | Густина матеріалу, кг/м3 | |
| взятого до досліду m1 | залишку m2 | |||||
2 Визначення ступеня дисперсності (тонкості помелу) тампонажного портландцементу
Ступінь дисперсності – важлива характеристика цементного порошку. Від неї залежить величина поверхні, на якій проходить реакція гідратації, та седиментаційна стійкість цементного розчину.
Використовують багато різних способів визначення розмірів частинок порошку. До найпростіших належить ситовий аналіз, при якому порошок розсіюється з допомогою набору сит на ряд фракцій і визначається відсотковий вміст цих фракцій від загальної маси. Вадою цього методу є складність розділення на окремі фракції частинок розміром менше 0, 05 мм.
На підприємствах - виробниках цементу, а також на бурових підприємствах для характеристики тонкості помелу не застосовують повний ситовий аналіз, а проводиться просівання цементу на дві фракції через сито з розміром отворів 0, 08 мм. Сітка повинна бути добре натягнута і щільно затиснена в циліндричній обоймі діаметром 10-15 см (дозволяється використання обойми будь-якої іншої форми). Стандарти і технічні умови на портландцементи (в тому числі і тампонажні) передбачають певний ступінь дисперсності. Стандартом передбачено, щоб масова доля цементу, просіяного через сито з отворами 0, 08 мм, складала не менше:
|
|
|
- 90 % для портландцементу типу ІІІ пол. для низьких і нормальних температур:
- 88 % для портландцементу І і ІІ типу для низьких і нормальних температур, а також для цементу ІІІ типу для підвищених і помірних температур;
- 85 % - для цементу І і ІІ типу для нормальних і підвищених температур.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1 Цемент в кількості 150 г просушують протягом 1 год. в сушильній шафі при температурі 110±5 оС.
2 Після охолодження проби зважують 50 г і розміщують на ситі № 008, закривають і просіюють цемент шляхом інтенсивного струшування. Сито необхідно тримати в похилому положенні, повільно повертаючи навколо осі і постукуючи долонею по поверхні циліндра.
3 Через 5-7 хв. висипають з піддону просіяний туди цемент, після чого продовжують струшування.
4 У кінці досліду обойма виймається з піддону і протягом 1 хв. продовжується просіювання на аркуш паперу. Просіяний цемент зважують на технічних вагах, і просіювання вважається завершеним, якщо через сито протягом 1 хв. проходить не більше 0, 05 г цементу.
5 Залишок цементу на ситі зважують. Маса залишку визначається у відсотках від величини наважки. Розрахунок необхідно проводити з точністю до 0, 1 %.
6 Тонкість помелу розраховують як середнє арифметичне із результатів двох визначень залишків на ситі, що відрізняються один від одного не більше як на 0, 2 %.
Для того, щоб сітка не забивалась, після кожного досліду її промивають водою і висушують.
7 Результати вимірювань заносять в таблицю 1. 2.
Таблиця 1. 2 – Результати виміру тонкості помелу цементу
| № досліду | Тип цементу | № сита | Маса проби цементу, г | Залишок цементу на ситі, г | Тонкість помелу цементу, % |
3 Визначення об’ємної (насипної) маси сухого цементу
|
|
|
Об’ємна (насипна) маса – це маса одиниці об’єму цементу з урахуванням наявності повітря, що було засмоктано при насипанні цементу. Ця величина не є постійною і залежить від складу, ступеня дисперсності і ступеня ущільнення.
За допомогою насипної маси можна розрахувати кількість матеріалу (його масу) при об’ємному дозуванні, наприклад, кількість матеріалу (масу) у стандартному паперовому мішку або бункері цементо-змішувальної машини.
При русі цементо-змішувальної машини та при роботі двигуна цементний порошок ущільнюється. Тому об’ємну масу визначають як для пухкого, так і для ущільненого стану цементу.
Насипну масу цементу в пухкому стані визначають за допомогою приладу, який складається з воронки 1 з отвором діаметром 30 мм, яка закривається засувкою 2; сита 3 з круглими отворами діаметром 1-2 мм і металевої посудини 4 місткістю 1 л (рис. 1. 2).
|
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1 Зважують порожню металеву посудину 4 і встановлюють її під воронкою 1.
2 У воронку 1 насипають 2 кг цементу і відкривають засувку 2.
3 При помішуванні палочкою цемент проходить через отвори сітки 3 і заповнює посудину 4, яка розташована під воронкою 1.
4 Після заповнення посудини 4 засувку 2 закривають, надлишок цементу, який піднявся над торцем посудини, зрізають лінійкою і за допомогою ваги визначають масу посудини з цементом.
5 Розраховують насипну масу (в кг/м3) як середнє арифметичне із результатів двох вимірювань, які відрізняються один від одного не більше як на 50 кг/м3, за формулою:
, (1. 3)
де m1 – маса порожньої посудини, кг;
m2 – маса посудини з цементом, кг;
V – об’єм посудини, м3.
6 Результати вимірів заносять в таблицю 1. 3.
Таблиця 1. 3 – Результати виміру насипної маси цементу
| № досліду | Тип цементу | Стан цементу | Маса, кг | Різниця m2-m1, кг | Об’єм посудини, м3 | Насипна маса, кг/м3 | |
| порожньої посудини m1 | посудини з цементом m2 | ||||||
Для визначення насипної маси в ущільненому стані сітку із воронки забирають, а металеву посудину, в яку із воронки зсипається порошок, постукують об стіл. Об’єм, який звільнився при ущільненні маси, заповнюють новими порціями цементу. Ущільнення продовжують до тих пір, поки припиниться зменшення об’єму порошку в посудині при постукуванні.
Як вказано вище, насипна маса тампонажних цементів суттєво залежить від складу і тонкості помелу. Наприклад, тампонажний портландцемент має насипну масу в пухкому стані 1000-1200 кг/м3, в ущільненому – 1500-1800 кг/м3. Полегшені цементи, з великим вмістом тонкодисперсних компонентів (діатоміт, трепел, опока, бентоніт та ін. ) характеризуються пониженими значеннями насипної маси: 800-900 кг/м3 в пухкому стані, 1200-1300 кг/м3 в ущільненому стані.
|
|
|
У кінці роботи робиться загальний висновок по кожному пункту.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1 Що розуміють під густиною цементу?
2 Назвіть межі густин різних типів цементів.
3 Чому не можна використовувати воду для визначення густини цементу в приладі Ле-Шательє-Кандло?
4 Що таке ступінь дисперсності тампонажного цементу?
5 З допомогою яких приладів вимірюють тонкість помелу портландцементу?
6 З яких основних оксидів складається портландцемент?
7 Який хімічний та мінералогічний склад портландцементу?
8 Яка різниця між густиною і насипною масою цементу?
9 Що таке об’ємна маса цементу?
10 Які ще властивості порошкоподібних тампонажних матеріалів Ви знаєте?
Лабораторна робота №2
ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТАМПОНАЖНОГО РОЗЧИНУ
Мета роботи: вивчення методики і приладів для визначення рухомості та термінів тужавіння тампонажного розчину.
1 Визначення розтічності тампонажного розчину
Одна з найважливіших умов успішного цементування обсадних колон – забезпечення необхідної рухомості тампонажного розчину, тобто здатності зберігати текучість до закінчення процесу цементування. Отже, розтічність – це умовна міра рухомості або прокачування свіжоприготованого розчину. Вимірюють її з допомогою приладу, який називається конусом АзНДІ (рис. 2. 1). Прилад складається із зрізаного конуса, який має такі розміри: внутрішній діаметр верхньої основи 37±0, 5 мм, нижньої 70±0, 5 мм, висота 60±0, 5 мм, об’єм 120 см3. Конус встановлюють на скло, під яким розміщують круг з нанесеними концентричними кільцями. Мінімальний діаметр кільця 70 мм і максимальний - не менше 250 мм. Ціна поділки шкали повинна бути не більше 5 мм. Двома регулювальними гвинтами шкалу встановлюють в горизонтальне положення, що контролюють вмонтованим в центрі шкали рівнем. Маса конуса повинна складати не менше 300 г для уникнення передчасного самовільного підняття і відриву його від шкали при заповненні цементним розчином. Внутрішня поверхня конуса відполірована.
Цементний розчин вважають достатньо рухомим, якщо його розтічність, згідно ДСТУ Б В. 2. 7-88-99 (портландцементи І і ІІ типів) для непластифікованого цементного розчину становить не менше 20 см і не менше 22 см - для пластифікованого. Для портландцементів ІІІ типу розтічність повинна знаходитись в межах 18Q22 см. Розтічність залежить від тонкості помелу цементу. Збільшити її можна шляхом підвищення водоцементного відношення або введенням у розчин реагента – понижувача в’язкості (пластифікатора).
1 - конус стандартних розмірів; 2 - скло зі шкалою; 3 - підставка
Рисунок 2. 1 - Прилад (конус) АзНДІ для визначення
розтічності тампонажних розчинів
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1 Порядок приготування цементного розчину.
1. 1 Перед випробуванням кожну пробу цементу просіюють через сито із сіткою № 09. Залишок на ситі зважують і відкидають. Масу залишку у відсотках, а також його характеристику заносять у протокол. Після просіювання пробу цементу перемішують.
1. 2 Для приготування цементного розчину і зберігання зразків застосовують звичайну питну воду.
1. 3 Маса проби цементу і води, які використовують для приготування цементного розчину для кожного виду випробувань, повинні відповідати значенням, вказаним у таблиці 2. 1.
Таблиця 2. 1 - Значення маси проби цементу і води, які використовують для приготування цементного розчину
| Тип цементу | Водоцементне відношення | Маса води, г | Маса проби цементу, г, однієї порції для визначення | ||
| розтічності, густини цементного розчину, міцності зразків розміром (20´ 20´ 100)мм | часу загуснення, водовідділення | міцності зразків-балочок розміром (40´ 40´ 160)мм | |||
| І, ІІ | 0, 5 | - | |||
| - | - | ||||
| ІІІ-пол | 0, 6Q1, 3 | 300-500 | 300-500 | 600-800 | |
| ІІІ-пов | 0, 3Q0, 4 | ||||
Примітка. Величину водоцементного відношення для цементу типу ІІІ підбирають за розтічністю цементного розчину, яка повинна знаходитись у межах 180Q220 мм.
1. 4 Цемент і воду у вказаній кількості розміщують у стакані електричного лопатевого змішувача і перемішують протягом (180±5) с.
1. 5 При ручному приготуванні цемент висипають у чашку попередньо протерту вологою тканиною. Потім роблять у цементі поглиблення, у яке вливають за один раз всю приготовлену воду. Поглиблення засипають цементом і через 30с після доливання води приступають до перемішування.
Для всіх типів портландцементів час перемішування становить (180±10) с, а для гідрофобізованих цементів (300±10) с.
2 Встановити прилад у горизонтальне положення.
3 Форму-конус встановити на скло у центрі вимірювального столика таким чином, щоб внутрішня окружність конуса була розташована концентрично відносно окружності шкали столика. Внутрішню поверхню конуса і скло перед випробуванням протерти вологою тканиною.
4 Приготовити 250 см3 цементного розчину із заданим водоцементним відношенням.
5 Після перемішування протягом 180±5 с приготовленим розчином заповнюють форму-конус до верхнього торця. Інтервал часу від моменту закінчення перемішування цементного розчину до початку заповнення ним форми-конуса не повинен бути більше 5 с.
6 Підняти різко конус у вертикальному напрямку і зняти чотири відмітки у взаємно перпендикулярних напрямках по шкалі під склом.
7 З точністю до 5 мм визначають середній діаметр кола розпливу. За розтічність приймають середньоарифметичне значення результатів двох вимірювань, розбіжність між якими не повинна бути більше 10 мм.
Якщо для цементів типу ІІІ розтічність буде менше 180 мм або більше 220 мм, то випробування повторюють, відповідно збільшуючи або зменшуючи водоцементне відношення, до одержання цементного розчину з розливом конусу в межах 180Q220 мм. Значення водоцементного відношення, при якому досягнута задана розтічність, відмічають у протоколі і використовують при наступних випробовуваннях.
8 Результати вимірів занести в таблицю 2. 2.
Таблиця 2. 2 – Результати виміру розтічності тампонажного розчину
| № досліду | Тип цементу | Кількість цементу, г | Рідина замішування | Водоцементне відношення | Вид перемішування |
Чотири відмітки за шкалою, см |
Розтічність, см | |
| вид | кількість, г або см3 | |||||||
2 Визначення початкової консистенції тампонажного розчину
Консистенція – це міра загуснення рідин. Цю характеристику використовують для оцінки текучості тампонажних композицій, які здатні загущуватись (за рахунок структуроутворення) через деякий час після замішування. Консистенція вимірюється в одиницях в’язкості або в умовних одиницях консистенції (УОК) за допомогою спеціальних приладів, які називаються консистометрами. Принцип дії консистометра базується на дистанційному вимірюванні моменту закручування, утвореного на лопатевому пристрої розчином, який обертається разом із стаканом. Момент сприймається вимірювальною пружиною, кут закручування якої пропорційний консистенції.
Консистенція – величина, яка обернено пропорційна текучості тампонажного розчину. Консистенція змінюється в часі в міру проходження реакції гідратації. В залежності від її швидкості для кожної тампонажної композиції різного складу настає період, коли розчин вважається непрокачуваним. Проміжок часу від моменту замішування до того часу, коли консистенція стане граничною називається часом загуснення тампонажного розчину. Досвід показує, що гранична консистенція становить 3 Па'с (30 УОК) для розчинів з нормальною рухомістю. Тільки в деяких випадках цементувальний агрегат здатний прокачати тампонажний розчин з консистенцією в 5 Па'с (50 УОК).
Відповідно до чинного ДСТУ час загуснення розчинів з портландцементів І, ІІ і ІІІ типів до 30 УОК не менше 90 хв. Для цементів типу І-G і І-Н консистенція цементного розчину через 15-30 хв. режиму випробування не повинна перевищувати 30 УОК.
Для визначення консистенції (міри рухомості) цементного розчину використовують консистометри КЦ-3 та КЦ-5, які являють собою своєрідну механічну мішалку. Прилади дозволяють вимірювати консистенцію розчинів при безперервному перемішуванні і заданій температурі.
Таблиця 2. 3 - Технічна характеристика консистометрів
| Тип | КЦ-5 | КЦ-3 |
| Діапазон вимірювання консистенції, 10-1 Па'с | 5-100 | 5-100 |
| Максимальна температура проби, оС | ||
| Тиск дослідження, МПа | 0, 1 | < 160 |
| Частота обертання стакана з пробою, с-1 | 15, 7±0, 52 | 15, 7±0, 52 |
| Приведена похибка вимірювання консистенції від кінцевого значення шкали приладу, % | _ ±5 | ±5 |
Консистометр КЦ-5 (рис. 2. 2) складається із стакана для цементного розчину, який обертається від електродвигуна, і рамки з лопатями, що знаходиться всередині стакана. При обертанні стакана, який заповнений цементним розчином, між розчином і лопатями виникають сили тертя, які призводять до відхилення рамки від початкового положення і закручування каліброваної пружини.
1 - стакан для розчину; 2 - рамка з лопатями; 3 - електродвигун;
4 - редуктор; 5 - кронштейн; 6 - станина; 7 - електронагрівач;
8 - водяна баня; 9 - шкала; 10 - термометр
Рисунок 2. 2 - Схема консистометра КЦ-5
Шкала консистометра проградуйована в одиницях консистенції або в градусах, які відповідають куту закручування каліброваної пружини. В останньому випадку до консистометра додається тарувальна крива залежності між кутом закручування пружини в градусах і одиницями консистенції (Па'с). За одну одиницю консистенції приймають кут, на який повернеться рамка приладу, якщо стакан буде заповнений ньютонівською рідиною з динамічною в’язкістю 0, 1 Па'с.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1 Провести холостий запуск консистометра. В робочому положенні рамка з лопатями не повинна зачіпати внутрішню поверхню стакана, який обертається, що підтверджується нульовим відліком за шкалою при включенні двигуна і зупинці його.
2 Приготовити 650 см3 цементного розчину із водоцементним відношенням, вказаним в таблиці 2. 1, і залити його в стакан до риски на його внутрішній поверхні.
3 Закріпити стакан в робоче положення з допомогою байонетного замка.
4 Включити електродвигун і одночасно запустити секундомір. Час від моменту замішування цементного розчину до моменту вмикання приладу не повинен перевищувати 5 хв.
5 Через кожні 2 хв. записують покази приладу.
Цементний розчин вважається достатньо рухомим (прокачуваним), якщо його початкова консистенція не перевищує 1, 0-1, 5 Па'с. Дослід припиняється, коли консистенція розчину зросте до 5 Па'с.
6. Результати вимірів заносять в таблицю 2. 4.
Таблиця 2. 4 - Результати виміру консистенції тампонажного розчину
| Тип цементу | Кількість цементу, г | Рідина замішування | Водоцементне відношення | Час дослідження
| Консистенція, Па'с | |
| вид | кількість, г або см3 | |||||
| 0* | ||||||
| і т. д. | ||||||
Примітка. *Нульовий відлік береться в момент початку обертання стакану, одночасно включається секундомір.
7 За даними таблиці на міліметровому папері будують криву зміни консистенції в часі, яка називається кривою загуснення. За графіком визначають початкову консистенцію, яка характеризує рухомість розчину через 20 хв. дослідження, і час загуснення, який відраховують від моменту включення приладу до моменту, коли консистенція досягне рівня 3 Па'с (30 УОК).
3 Визначення термінів схоплення тампонажного розчину
При проведенні цементувальних робіт необхідно знати час, протягом якого цементний розчин в умовах даної свердловини зберігає рухомість, а також час, який необхідний для перетворення розчину в камінь. Найшвидше схоплення цементного розчину відбувається в тому випадку, коли після замішування він залишається у стані спокою. Швидкість схоплення в статичних умовах оцінюють приладом Віка шляхом періодичного заміру глибини занурення в твердіючий цементний розчин голки стандартного розміру під дією сталого навантаження. Відразу після замішування, коли цементний розчин знаходиться в рідкому стані, голка занурюється в розчин на всю його глибину. Але в міру схоплення розчину рух голки значно сповільнюється і нарешті настає момент, коли вона під дією ваги стержня не доходить до дна посудини з розчином. При подальшому схопленні настає такий момент, коли голка не може зануритися в цементний розчин на помітну глибину. За цим методом швидкість схоплення характеризується так званими термінами схоплення – терміном початку і кінця схоплення.
Час, що пройшов від моменту замішування цементного розчину до того моменту, коли голка не доходить до дна посудини з розчином на 1-2 мм, називають терміном початку схоплення, а час, що пройшов від моменту замішування до моменту, коли голка занурюється в розчин не більше, ніж на 1 мм – терміном кінця схоплення.
Цей найпростіший метод не дає кількісної характеристики структурно-механічних властивостей твердіючих суспензій.
За допомогою приладу Віка (рис. 2. 3) визначають терміни схоплення при температурі до 90 оС і атмосферному тиску. При високих температурах (до 250 оС) і тисках (до 100 МПа) для визначення термінів схоплення використовують установку УС-1.
1 - металевий стержень; 2 - вертикальна обойма станини;
3 - затискний гвинт; 4 - сталева голка; 5 - пестик Тетмайера;
6 - шкала; 7 - конічне кільце
|
|
|
