Лабораторная работа 15 определение сроков схватывания тампонажных растворов

Цель работы. Определить сроки схватывания смесей различного состава.

Сроки схватывания тампонажных растворов – условные параметры, так как в их основу положены условные критерии. Процесс образования структуры раствора и превращения его в тампонажный камень по физико-химической сути относится к переходу от стадии коагуляции к стадии кристаллизации. На сроки схватывания влияют давление, минерализация пластовых вод и химический состав тампонируемых пород. Однако попытки выполнять измерения с учетом этих факторов при существующих методах определения сроков схватывания не имеют смысла. Такой учет дает лишь качественную картину изменения процесса схватывания.

В то же время для успешного тампонирования скважин нужно четко знать время, которым располагают исполнители для проведения работ. В этом отношении сроки схватывания дают самое общее представление об этом времени. Если начало схватывания наступает, например через 1 ч, это не значит, что исполнитель работ имеет в своем распоряжении этот час. Поэтому, готовя раствор для тампонирования скважины, исполнитель стремится подстраховаться и увеличить время начала схватывания, а это приводит к резкому уменьшению эффективности тампонажных работ.

Приборы и материалы. Емкость для замеса, гипс, цемент, песок, техническая вода, прибор ВИКа.

Прибор ВИКа. Состоит из круглого металлического стержня 4 (рис.22), свободно перемещающегося в вертикальной обойме 5 станины 1. Для закрепления стержня на желаемой высоте служит зажим 2. В нижнюю часть стержня 4 ввинчивается стальная игла 6 диаметром 1,1 мм и длиной 50 мм. На кронштейне станины укреплена шкала 3. В комплект прибора входит кольцо 7 с подставкой 8. Масса подвижной системы прибора 300 г.

Порядок выполнения работы. Для определения сроков схватывания готовят 300 см³ тампонажного раствора, который после трехминутного перемешивания заливается в кольцо с подставкой ( перед заливкой раствора кольцо и подставка смазываются солидолом). Перед началом измерения игла должна слегка касаться поверхности раствора. Способ основан на периодическом погружении стержня (иглы) площадью сечения 1 мм² под действием нагрузки в 3 Н. По мере загустевания раствора движение иглы в нем замедляется. Время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла не доходит до подставки на 1 мм, называют временем начала схватывания. Время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1 мм, называют временем конца схватывания.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.

Лабораторная работа 16 определение пластической прочности тампонажных растворов

Цель работы. Определить пластическую прочность тампонажной смеси.

Необходимо знать кинетику нарастания прочности структуры раствора во времени. Для этого измеряют пластическую прочность структуры раствора.

Пластическая прочность Р_т характеризует прочность структуры раствора при пластично-вязком разрушении, измеряется на приборе ВИКа по методу акад. П.А. Ребиндера, усовершенствованному М.С. Винарским. Вместо иглы прибор снабжается комплектом конусов из стали, алюминия или органического стекла с углами при вершине 30⁰, 45⁰, 60⁰, 90⁰. Кроме того, необходимо иметь кольцо диаметром 127-146 мм и соответствующего размера подкладную пластину.

Приборы и материалы. Емкость для замеса, гипс, цемент, песок, техническая вода, прибор ВИКа с комплектом конусов и съемным грузом.

Порядок выполнения работы. В кольцо 7 высотой 40 мм (рис.22), установленное на пластине-поддоне 8, заливают тампонажный раствор. Поверхность раствора тщательно выравнивают. Подвижный стержень 4 прибора с укрепленным в нижней части конусом (показан пунктиром) устанавливают таким образом, чтобы конус чуть касался поверхности раствора, и в таком положении фиксируют зажимом 2. Через определенное время выдержки зажим опускают, подвижную систему освобождают и конус погружается в раствор на определенную глубину. Величина погружения фиксируется по шкале 3. Затем конус поднимают, насухо протирают и устанавливают в исходное положение. Кольцо 7 с пробой раствора смещается с пластиной 8 по плите-основанию таким образом, чтобы после очередного погружения конуса центры лунок находились на расстоянии не менее трех диаметров предыдущей лунки. Через заданное время выдержки нажатием кнопки зажима 2 конус вновь освобождается, и замеряется глубина его погружения.

Пластическая прочность Р_m (в Па) вычисляется по формуле:

, (19)

где К_ - коэффициент, зависящий от угла конуса; G – вес погружаемой системы, Н; h – глубина погружения конуса в тампонажный раствор, м.

Коэффициент К_ определяется из выражения:

, (20)

где α- угол при вершине конуса.

Так как пластическая прочность нарастает во времени, глубина погружения конуса постепенно уменьшается. Для повышения точности измерений при достижении =0,50,8 см конус заменяют более острым. Если использован самый острый конус комплекта, систему дополнительно нагружают, для чего в верхней её части устанавливается съемный груз. Величина груза зависит от конкретных условий опыта. Если груз оказался слишком велик (подвижная система доходит до поддона), можно перейти на конус с большим углом при вершине.

Рекомендуется одновременно исследовать не менее трех образцов раствора и пластическую прочность выбрать как среднее трех измерений. По результатам измерений строят кривую изменения пластической прочности во времени. Общий характер кривой показан на рис.23. Кривая 1 характерна для цементного раствора, кривая 2 – для глинистого раствора с содержанием цемента 10%.

О бщий характер кривых отражает физико-химические изменения, происходящие в растворе с течением времени. Сначала прочность нарастает медленно, затем лавинообразно ускоряется, после чего вновь замедляется, асимптотически приближаясь к конечному значению. На каком-то этапе лавинообразного участка упрочнения пластическое разрушение структуры переходит в хрупкое. Но раствор не прокачивается задолго до этого момента.

Знание кинетики нарастания прочности позволяет оценить время, которым мастер располагает при неполадках в процессе прокачки раствора. На этапе медленного набора прочности структуры раствора пластическую прочность можно считать аналогом статического напряжения сдвига. Тогда, если раствор находится в трубах длиной , сопротивление раствора сдвигу P_Θ определяется по формуле:

, (21)

где - гидростатическое давление раствора в бурильных трубах, Па; - внутренний диаметр бурильных труб, м.

Отсюда при максимальном давлении, развиваемом насосом р_Θmax получим критическое значение пластической прочности Р_{т кр}, при котором насос не может продавить раствор в трубах:

. (22)

Зная Р_{т кр} по кривой нарастания пластической прочности во времени для данного раствора, можно найти время, за которое структура достигла критической прочности. Конечно, и здесь речь идет о приблизительной оценке, так как трудно учесть ряд факторов: время предварительного перемешивания, степень соответствия для данного времени статического напряжения сдвига и пластической прочности, температуры в скважине и др. но полученная оценка является количественной, отражает в динамике физико-химию процесса и может уточняться по мере получения дополнительной информации.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.