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. Беруть цемент в кількості 150 г і просушують його 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 із піддону просіяний туди цемент, після чого продовжують струшування.

4. У кінці досліду обойма виймається із 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 9.2.

Таблиця 9.2 – 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.

З 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 з 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. 2.2).

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.

1-воронка; 2-засувка; 3-сито; 4 –посудина

Рисунок 9.2 - Прилад для визначення об’ємної (насипної) маси

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:

, (6.3)

де m₁ – маса порожньої посудини, кг;

m₂ – маса посудини з цементом, кг;

V – об’єм посудини, м³.

6. Результати вимірів заносять в таблицю 9.3.

Таблиця 9.3 – Результати виміру насипної маси цементу

№ дос-ліду	Тип цеме-нту	Стан цеме-нту	Маса, кг	Різниця m2-m1, кг	Об’єм посудини, м^3	Насипна маса, кг/м^3
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 1000-1200кг/м³, в ущільненому – 1500-1800кг/м³. Полегшені цементи, з великим вмістом тонкодисперсних компонентів (діатоміт, трепел, опока, бентоніт та ін.) характеризуються пониженими значеннями насипної маси: 800-900кг/м³ в пухкому стані, 1200-1300кг/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 №10

ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТАМПОНАЖНОГО РОЗЧИНУ

Мета роботи: вивчення методики і приладів для визначення рухомості та термінів тужавіння тампонажного розчину.

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. 10.1). Прилад складається із зрізаного конуса, який має такі розміри: внутрішній діаметр верхньої основи 37±0,5мм, нижньої 70±0,5мм, висота 60±0,5мм, 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 попередження 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).

Порядок виконання роботи.

1. Порядок приготування цементного розчину.

1.1 Перед випробуванням кожну пробу цементу просіюють через сито з 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 тіста і зберігання зразків застосовують звичайну питну воду.

1.3 Маса проби цементу і води, які використовують для приготування цементного тіста для кожного виду випробувань, повинні відповідати значенням, вказаним у таблиці 10.1.

Таблиця 10.1 - Значення маси проби цементу і води, які використовують для приготування цементного тіста

Тип цементу	Водоце-ментне відно-шення	Маса води, г	Маса проби цементу, г, однієї порції для визначення
розтічності, гус-тини цементного тіста, міцності зразків розміром (20х20х100)мм	часу загуснення, водовідді-лення	міцності зраз-ків-балочок розміром (40х40х160)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 тіста, яка повинна знаходитись у межах 180Q220мм.

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±5с 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 вираховують 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 або більше 220мм, то випробування повторюють, відповідно збільшуючи або зменшуючи водоцементне відношення, до одержання цементного тіста з розливом конусу в межах 180Q220мм. Значення водоцементного відношення, при якому досягнута задана розтічність, відмічають у протоколі і використовують при наступних випробовуваннях.

8. Результати вимірів занести в таблицю 10.2.

Таблиця 10.2 – Результати виміру розтічності тампонажного розчину

№ дос-ліду	Тип цементу	Кіль-кість цеме-нту, г	Рідина замішування	Водоце-ментне відно-шення	Вид перемі-шуван-ня	Чотири відмітки за шкалою, см	Розтіч-ність, см
вид	кількість, г або см^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.

З допомогою приладу Віка 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.

Швидкість схоплення залежить від мінералогічного складу, концентрації твердої фази, температури та хімічної обробки.

Прилад Віка (рис.10.2) складається з металевого стержня 1, який вільно рухається у вертикальній обоймі станини 2. Для закріплення стержня на необхідній висоті служить зажимний гвинт або спеціальний стопор 3. В нижню частину стержня 1 вгвинчена сталева голка 4 діаметром 1,1 мм і довжиною 50 мм. Маса стержня повинна бути рівною 300±2г. На станині закріплена шкала 6 з поділками від 0 до 40мм. Конічне кільце 7 для цементного розчину має розміри: внутрішній діаметр верхньої основи - 65±5мм, нижньої- 75±5 мм, висота - 40±0,5мм. Під кільце підкладається пластинка.

1 - металічний стержень; 2 - вертикальна обойма станини; 3 - зажимний гвинт; 4 - сталева голка; 5 -пестик Тетмайера; 6 - шкала; 7 - конічне кільце

Рисунок 10.2 - Прилад Віка

Порядок виконання роботи

1. Перевірити вільність опускання стержня приладу і збігання при дотику голки до дна пластинки нульової поділки шкали з позначкою на стержні. У випадку відхилення проводять регулювання приладу.

2. Змастити машинним мастилом внутрішню стінку конічного кільця і донну пластинку.

3. Зважити 400 г попередньо просіяного цементу та висипати його у сферичну чашку.

4. З допомогою мірного циліндра відміряти необхідну кількість води (водоцементне відношення з таблиці 3.1).

5. Приготовити тампонажний розчин відповідно до пункту 1.4 чи 1.5 лабораторної роботи №3.

6. Залити розчин в конічне кільце до верхнього краю.

7. Перше замірювання виконати через 1 год. після замішування портландцементу з водою, наступні – не раніше як через кожні 15 хв. При дослідженні швидкотвердіючих сумішей, які використовуються для ізоляції зон поглинання промивальної рідини, голку необхідно занурювати через кожні 5хв., починаючи з моменту замішування.

8. Перед зануренням голку необхідно встановити на рівні розчину і закріпити стержень зажимним гвинтом. Відпускаючи зажим дають голці можливість вільно опускатися в розчин.

9. Після кожного занурення голку витирають, а кільце повертають так, щоб голка занурювалась кожен раз в нове місце.

10. Результати вимірів заносять в таблицю 10.3.

Таблиця 10.3 – Результати виміру термінів схоплення

Тип цементу	Кількість цементу, г	Рідина замішування	Водоце-ментне відно-шення	Початок замішу-вання, год.	Терміни схоплення, год
вид	кількість, г або см^3	початок	кінець

Якщо необхідно визначити терміни схоплення при температурі більше кімнатної, то розчин заливають в кільце з деяким надлишком. Надлишок зрізають лінійкою і кільце накривають металевою або скляною пластинкою, яка змащена мастилом. Пластинку притискують до кільця спеціальним пристосуванням. Кільце, закрите пластинкою, занурюють у водяний термостат із заданою температурою (+30 ¸ +90 ^оС). Перше занурення голки проводять через 1 год. після замішування, наступні – через кожні 5 хв. до завершення дослідження.

Перед кожним зануренням у воду кільце з цементним розчином накривають пластинкою, вимірюють температуру води і записують результат.

При температурі дослідження менше +40 ^оС задана температура повинна підтримуватись з точністю ±2 ^оС, при температурах +40 ¸ +90 ^оС – з точністю ±3 ^оС.

У кінці роботи робиться загальний висновок за кожним пунктом.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що розуміють під розтічністю тампонажного розчину?

2. Які фактори впливають на розтічність тампонажного розчину?

3. Що таке консистенція тампонажного розчину і в яких одиницях вона вимірюється?

4. Які фактори впливають на консистенцію тампонажного розчину?

5. Що таке УОК тампонажного розчину?

6. З якою метою визначають консистенцію тампонажного розчину?

7. Дайте визначення початку і кінця схоплення тампонажного розчину.

8. Які фактори впливають на терміни схоплення?

9. З якою метою визначають терміни схоплення?

10. Які ще, крім описаних вище, Ви знаєте властивості тампонажних розчинів?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11

ВИЗНАЧЕННЯ МІЦНОСТІ ТАМПОНАЖНОГО КАМЕНЮ

Мета роботи: вивчити методику дослідження взірців на згин з допомогою приладу МИИ-100.

Тампонажним каменем називають тверде тіло, що утворилося при затвердінні тампонажних розчинів. Важливою особливістю тампонажного каменю з портландцементу є безперервна зміна його властивостей у часі. Процес структуроутворення, внаслідок якого цементний розчин перетворився в тверде тіло, продовжується у міру протікання реакцій гідратації. Але після завершення цих реакцій властивості цементного каменю не залишаються незмінними, оскільки ще до повного завершення цих реакцій починаються деструктивні процеси.

Властивості цементного каменю залежать від режиму його твердіння, який визначається вологістю, температурою і деформаційними впливами навколишнього середовища. Оскільки вони суттєво змінюються в часі, то це вимагає точного фіксування тривалості його твердіння перед випробуванням. Відлік часу ведеться від моменту замішування тампонажного розчину.

Основними фізико-хімічними характеристиками цементного каменю є його міцність, проникність, об’ємні зміни і корозійна стійкість. Міцність цементного каменю прийнято характеризувати опором стиску, розтягу і вигину. Для цього цементний камінь виготовляють у вигляді зразків, які випробовують на міцність, тобто визначають напруження, при якому руйнується зразок.

При одноосному навантаженні міцність цементного каменя залежить від виду навантаження. При стискуванні вона найбільша, менша при вигині s_зг=(0,25 - 0,5) s_ст і найменша при розтягуванні s_роз=(0,1 - 0,15) s_ст . Міцність цементного каменю залежить від багатьох факторів, основними з яких є хіміко-мінералогічний склад цементу, водоцементне відношення, питома поверхня цементу, наявність наповнювачів і хімічних домішок, умови твердіння та ін. На міцність цементного каменю суттєво впливають температура і тиск, при яких цей камінь формується.

Одночасно із зростанням міцності цементного каменю зменшується його пластичність, він стає більш крихким і швидко руйнується при дії динамічних навантажень (удари, вібрації, вибухи). Знаходячись у свердловині в умовах рівномірного об’ємного стиску, цементний камінь витримує навантаження навіть при невеликій міцності, тому пластичність є більш важливою характеристикою цементного каменя, ніж міцність.

Висока міцність цементного каменю потрібна тоді, коли є необхідність створити високоміцне складне кріплення для протидії аномально високим навантаженням на обсадну колону з боку нестійких порід, а також при встановленні цементних мостів.

Дата добавления: 2014-01-15