ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ

Цели работы:

1. Изучение методики приготовления цементного раствора.

2. Изучение методики определения основных свойств цементного раствора.

3. Изучение влияния ускорителей схватывания цементного раствора на его основные свойства.

Объем работы – 6 часов.

Оборудование и материалы

Материалы: портландцемент, вода, силикатный клей (в качестве ускорителя схватывания).

Оборудование: ареометр АБР-1, игла ВИКа, конус АзНИИ.

Теоретические сведения

Тампонажные смеси (или цементные растворы) представляют собой специальные материалы или составы, используемые для тампонирования – заполнения скважин или отдельных интервалов. Тампонажные смеси с течением времени могут затвердевать с образованием тампонажного камня, либо загустевать или упрочняться, оставаясь вязким или пластичным.

Состав цементных растворов характеризуется водоцементным отношением, которое влияет на их свойства. Водоцементное отношение В/Ц показывает отношение массового количества вода к массовому количеству цемента и для нормальных цементных растворов находится в пределах 0,4-0,6. В указанных пределах цементные растворы подвижны и удовлетворительно перекачиваются насосами.

Например, водоцементное отношение (В/Ц) составляет 05, следовательно, необходимое количество цемента – 300 г, воды – 150 мл.

Цементирование скважин, являющееся весьма ответственной операцией, требует применения цемента высокого качества. Для этой цели применяют портландцемент (тампонажный цемент), выпускаемый в двух видах:

а) для «холодных» скважин, с температурой на забое до 40°С;

б) для «горячих» скважин, с температурой на забое выше 40°С.

Портландцемент изготовляется шести марок: 200; 250; 300; 400; 500 и 600. Для цементирования стволов скважин применяют цемент марок 400 и 500. Кроме того, строительный цемент 200 или 300 применяют для сооружения фундаментов под буровые вышки, буровые и силовые механизмы.

Качество цемента характеризуется пределами прочности цементного камня при сжатии и изгибе. Марку цемента устанавливают по показателям предела прочности при изгибе образцов бетонных балок размером 40х40х160мм и при сжатии их половинок. Для отнесения портландцемента к той или иной марке предел прочности образцов в возрасте 28 суток должен быть не менее: при сжатии марок 300, 400, 500 и 600 – соответственно 30, 40, 50 и 60 МПа, при изгибе – соответственно 4,5; 5,5; 6; 6,5 МПа. Марки портландцемента установлены по величине сопротивления сжатию и изгибу (в кгс/см²).

Тампонажный цемент представляет собой продукт тонкого помола вещества, получаемого при сильном обжиге смеси материалов, содержащих глинозем (бокситы) с известью или известняком. Действие цемента характеризуется тем, что приготовленные из него растворы обладают свойством быстро повышать свою механическую прочность.

Тампонажный цемент имеет удельный вес от 3,05 до 3,20 г/см² самого мелкого помола. Чем мельче помол, тем равномернее застывает раствор при постоянном объеме и сопротивление его внешним усилиям возрастает. Неравномерное изменение объема при застывании влечет за собой появление трещин, через которые может про­сочиться вода.

Цемент способен поглощать влагу из окружающего воздуха, поэтому он должен упаковываться в плотную водоупорную тару и храниться в сухом проветриваемом помещении. Поглощая влагу, цемент теряет свои гидравлические свойства, на что указывает образование твердой корки и комков внутри мешка.

Цемент должен быть свежим по времени изготовления (не более 6 месяцев) и иметь темно-серый цвет с зеленоватым оттенком. Коричневый цвет – результат пережженного цемента, а желтоватый – подожженного.

Важнейшие свойства цементов, применяемых для тампонажа скважин:

1. Сроки схватывания цемента, которые при затворении (смешивании с водой) цемента с 50% воды к весу цемента должны быть:

а) для раствора цемента на пресной воде: начало схватывания не ранее 3 ч и не позднее 7 ч 30 мин после затворения и конец схва­тывания не позднее 3 ч после начала схватывания;

б) для раствора цемента на соленой воде (тип морской воды): начало схватывания не ранее 3 ч и не позднее 6 ч после затворения, конец схватывания не позднее 3 ч после начала схватывания.

Указанные сроки схватывания цемента позволяют по времени приготовить цементный раствор и закачать его в скважину.

2. Временное сопротивление изгибу, определяющее прочность цементного камня, для цементного раствора с 50% воды после твердения в течение 2 суток должно быть не менее 27 кг/см² на пресной воде и 32 кг/см² – на соленой.

Цементный раствор должен быть достаточно жидким, чтобы его можно было закачать в скважину насосом. Это условие обеспечи­вается при весовом отношении количества воды, принятой для затворения, к количеству сухого цемента (В/Ц), равному 0,4-0,5.

Методика выполнения лабораторной работы

Промазать пластилином места соединений формы для определения сроков схватывания на приборе ВИКа (рис. 1). Внутреннюю поверхность промазать машинным маслом.

Установить конус АзНИИ (рис. 2) для определения растекаемости цементного раствора (регулировочными винтами добиться горизонтальности рабочей поверхности стола). Взвесить необходимое количество цемента, добавок воды. Записать начало затворения (НЗ) и, в один прием, в емкость с цементом влить воду, перемешивая вручную деревянной лопаткой 3 минуты.

После перемешивания, в первую очередь, замеряем растекаемость, которая должна быть 20 см. На середину прибора устанавливается конус, в который заливается цементный раствор вровень с верхним кольцом, и конус плавно поднимают вертикально вверх. С помощью концентрических окружностей во взаимно перпендикулярных направлениях определяют наибольший и наименьший диаметры круга расплыва. По ним вычисляют средний диаметр, который и характеризует растекаемость.

Измеряем плотность раствора ареометром. Также плотность можно измерить с помощью весов. Взвесить мерный цилиндр объемом 100 мл. Заливаем раствор в цилиндр на 100 мл ровно до отметки 100, взвешиваем, разница между заполненным цилиндром и пустым будет считаться удельным весом раствора.

Для определения сроков схватывания на приборе ВИКа, раствор заливаем в кольцевую форму с насадкой, производим стыкование стеклянной или деревянной палочкой. Через час убираем насадку, срезаем избыток раствора вровень с краями кольца и делаем первое погружение иглы ВИКа в раствор. Последующее погружение производим через каждые 15 минут, чтобы игла погружалась каждый раз в новое место.

Началом схватывания считается время, прошедшее от момента затворения до того момента, когда игла не доходит до дна кольца с раствором на 2 мм, а время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1 мм, сроком конца схватывания.

Результаты исследований необходимо представить в виде отчета с обязательным приведением следующей таблицы:

№ опыта	Состав		Свойства		Сроки схватывания:
			ρ, кг/м3	Растекаемость	начало	конец
	вода	цемент
1
2
3

Для исследования влияния ускорителей схватывания на основные показатели цементного раствора следует приготовить новые порции раствора, согласно изложенной выше методике, с добавлением 3, 5 и 7 % силикатного клея. Результаты проведения испытаний заносятся в таблицу:

№ опыта	Состав			Свойства		Сроки схватывания:
				ρ, кг/м3	Растекаемость	начало	конец
	вода	цемент	клей силикатный
1
2
3

По окончании проведения исследований делается общий вывод о качестве цементного раствора и влиянии ускорителя схватывания на основные параметры цементного раствора.

54