Определение качества тампонажного камня из растворов на основе вяжущих веществ

Качество цементного камня оценивают в лабораторных ус­ловиях на образцах стандартных размеров, которые готовят с соблюдением требований, обеспечивающих однородность свойств по всему объему. Свойства цементного камня зависят от режи­ма его твердения, который определяется влажностью, темпера­турой, давлением, составом пластовых вод и горных пород. Же­лательно, чтобы режим твердения экспериментальных образцов цементного камня был максимально приближен к условиям скважины.

При твердении раствора на протекание химических процес­сов гидратации расходуется вода. Если этот расход воды не компенсируется из внешней среды, то поры и капилляры це­ментного камня частично освобождаются от наполняющей их воды, что сопровождается замедлением гидратации, усадкой, из­менением физических свойств камня.

В скважине расход воды на гидратацию в некоторой степени компенсируется за счет поступления в цементный камень плас­товых вод и фильтрата промывочной жидкости. Поэтому приня­то помещать экспериментальные образцы в воду, создавая тем самым условия для полной компенсации химического поглоще­ния воды. Чтобы исключить размыв образца цементного раство­ра с поверхности при погружении в водяную ванну, ему дают сначала затвердеть в атмосфере насыщенного пара или заливают его в закрытые незагерметизированные формы, погружая затем в воду. После того как цементный камень приобрел доста­точную прочность, формы разбирают и образцы снова погру­жают в воду.

Продолжительность выдерживания образцов цементного камня перед определением его свойств зависит от задач иссле­дования. Если необходимо знать минимально допустимое время ОЗЦ, то выбирают сроки, приближающиеся к предполагаемому или желательному времени ОЗЦ, например через 12, 24, 36, 48 ч с момента затворения. При наблюдении за изменением свойств цементного камня во времени измерения производят пос­ле выдерживания образцов,в течение 24 и 48 ч, 7 и 28 сут.

Прочность тампонажного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, изгибу, реже разрыву. Испытания при температурах 22 и 75 °С проводят по ГОСТ 1581—78.

Прочность цементного камня непостоянна. Первое время пос­ле твердения она быстро возрастает, затем постепенно стабили­зируется, а через некоторое время начинает медленно сни­жаться.

Прочность при сжатии определяют путем разруше­ния образцов на гидравлическом прессе. Наиболее распростра­нены образцы в виде куба с ребром 7,07 и 5 см (площади попе­речного сечения соответственно 50 и 25 см²), но можно приме­нять и образцы цилиндрической формы, их высота и диаметр должны быть равны.

Для изготовления образцов цементный раствор заливают в разъемные формы соответствующих размеров, выполненные из стали или пластмассы. Из одного замеса цементного раствора изготовляют несколько образцов (не меньше трех), которые вы­держивают в одинаковых условиях одно и то же время. Перед заливкой раствора на формы устанавливают надставки высо­той 5 мм, обеспечивающие некоторый избыток раствора. Через 1 ч твердения избыток раствора срезается вровень с краями формы. Формы заполняют последовательно в два приема: вна­чале до половины, затем вровень с надставкой.

Образцы, твердеющие при температуре 22±2 °С, первые сутки следует хранить в контейнерах с гидравлическим затво­ром при относительной влажности 80—90%. Через 24±2 ч после затворения образцы освобождают от форм, маркируют и хра­нят в водяной ванне до момента испытания. Испытывают их сразу после извлечения из ванны и обтирания.

Образцы, твердеющие при температуре 75±3 °С, после уда­ления избытка раствора из форм накрывают стеклянной или стальной пластиной и помещают в термостат с водой указанной температуры. Через 24±2 ч образцы извлекают из форм, мар­кируют и помещают в тот же термостат для последующего уп­рочнения. Испытывают их после предварительного охлаждения в течение 2,5 ч.

За величину прочности принимается среднее из трех измере­ний. Скорость нагружения при испытании на сжатие не должна превышать 2 МПа в 1 с.

Прочность при изгибе определяют при разрушении образцов-призм на разрывных машинах. Размеры призм 4Х4Х Х16 см. Порядок приготовления и испытания такой же, как и образцов для исследования на сжатие.

Рис. 69. Рычажная разрывная машина:

1 — стойка; 2 — испытуемый образец; 3,5 — рычаги; 4 — противовес;

6 — крюк; 7 — ве­дерко; 8 — опоры; 9 — сосуд для дроби; 10 — лоток;

11 – педаль отсекателя

На рис. 69 приведено устройство простейшей рычажной раз­рывной машины, в которой усилие на образец создается весом дроби, ссыпающейся в ведерко 7 из сосуда 9. Вес дроби через систему рычагов 3 и 5 передается к приспособлению 8, в кото­ром изгибается образец 2. Расстояние между опорами приспо­собления принято равным 0,1 м. Образец устанавливается сим­метрично относительно средней опоры. Дробь высыпается че­рез лоток 10, скорость истечения ее должна быть примерно 0,1 кг/с. В момент разрушения образца ведерко резко опускает­ся, нажимает на педаль отсекателя 11 и поступление дроби пре­кращается.

Предел прочности при изгибе

σ _ИЗ= 3 KPl /2 bh,(X.8)

где К — коэффициент прибора, учитывающий соотношение плеч; Р — разрушающий груз, Н; l — расстояние между опорами при­способления, м; b, h — соответственно ширина и высота сечения призмы (принимаются измеренные значения), м.

Прочность на растяжение определяется при разру­шении образцов в виде «восьмерок» с площадью поперечного се­чения, равной 5 см². Прочностные характеристики цементного камня определяют и в специальных автоклавах при повышен­ных давлениях (до 25 МПа) и температурах (до 300 °С). Такие устройства сложны и используются в основном для научных исследований.

Считается, что конечные прочностные характеристики це­ментный камень набирает через 28 сут твердения. Однако уже через 2 сут прочность цементного камня может достигать 90% и более от максимальной. Поэтому оперативная оценка прочно­сти дается через 2 сут твердения.

Проницаемость тампонажного камня определяется размера­ми пор и степенью их сообщения между собой. Различают аб­солютную (физическую) и эффективную проницаемость.

Абсолютной называют проницаемость пористой среды для газа или однородной жидкости при отсутствии физико-хи­мического воздействия между жидкостью и пористой средой. При этом весь объем пор среды должен быть заполнен фильт­рующимся газом или жидкостью.

Эффективной называется проницаемость пористой сре­ды при наличии в порах другой какой-либо фазы. Для опреде­ления абсолютной проницаемости образец высушивают, эффек­тивная проницаемость измеряется на образце, сразу же извле­ченном из воды.

Проницаемость тампонажного камня непостоянна, она изме­няется в процессе твердения в соответствии с изменением порового пространства. По окончании твердения проницаемость там­понажного камня также может изменяться, если фильтрующая среда оказывает на него физико-химическое воздействие, при­водящее к растворению уже затвердевшего камня. Характер из­менения проницаемости во времени будет зависеть от соотноше­ния двух взаимно противоположных процессов: растворения тампонажного камня и осаждения продуктов растворения и дис­персной фазы промывочной жидкости в поровых каналах. Если процесс растворения тампонажного камня будет интенсивным, это может привести к его разрушению, ибо при этом усилива­ется действие других, отрицательных факторов.

Эффективную водопроницаемость тампонажного камня опре­деляют на образцах цилиндрической формы, диаметр и длина образца должны быть не менее 18 мм. Проницаемость опреде­ляют немедленно после извлечения образца на специальных ус­тановках, позволяющих замерять объем жидкости, фильтрую­щейся под заданным перепадом давления. В качестве фильтрую­щего агента применяется насыщенный раствор продуктов гид­ратации цемента в прокипяченной дистиллированной воде. Про­ницаемость цементного камня из обычного портландцемента со­ставляет (5÷10) • 10^-15 м².

Схема установки для измерения водопроницаемости цемент­ного камня приведена на рис. 70.

Рис. 70. Схема установки для измерения водопроницаемости цементного камня

Для приготовления насыщенного раствора продуктов гидра­тации дистиллированную воду заливают в резервную емкость 2 через фильтр с пористой пластинкой, на которую насыпан от­сеянный дробленый цементный камень с размером зерен 0,15— 0,5 мм. Количество цементного камня берется из расчета 20 г на 1 л воды, скорость фильтрации — 10 л/сут. После того как в емкости набралось достаточное для опытов количество раство­ра, он вакуумируется. Трубка от вакуум-насоса подсоединяется к емкости с раствором через U — образную трубку 1. Давление воды в установке создается маслом из емкости 18 с помощью плунжерного пресса 16 (или сжатого азота) через разделитель­ную 14 и напорную 9 емкости.

Порядок работы на установке следующий. При закрытых вентилях 8 и 17 в напорную емкость 9 с помощью пресса наби­рают раствор из емкости 2. Затем в кернодержателе устанавли­вают образец и, открыв вентиль 3, набирают раствор в свобод­ное пространство крышки 4 кернодержателя, пока он не начнет вытекать через открытый штуцер 5. После этого закрывают вен­тиль 3. Перед установкой образца 6 свободное пространство в днище 7 кернодержателя также заполняют раствором продук­тов гидратации. После этого, открыв вентили 8, 11, 13 и 15 (при закрытых 3, 12, 17), создают давление, которое фиксиру­ется манометром 10. Принимаются ступени давления 0,5; 1 и 1,5 МПа, причем на каждой ступени расход воды определяют не менее 3 раз после достижения установившегося расхода.

Коэффициент проницаемости К рассчитывается по формуле

K = Vµl/Fpt, (X.9)

где V — объем воды, профильтровавшийся через образец за время опыта t, м³; µ — вязкость раствора продуктов гидратации цемента при температуре опыта (принимается равной вязкости воды при этой же температуре), Па^.с; l — длина образца, м; F — площадь поперечного сечения образца, м²; р — давление, замеренное манометром, Па.

Коррозионная стойкость тампонажного кам-ня определяется коэффициентом стойкости, который представ­ляет собой отношение предела прочности при изгибе образцов, твердевших в агрессивной среде, к пределу прочности контроль­ных образцов. Самопроизвольное разрушение цементного камня в скважине обусловлено коррозией выщелачивания гидрата окиси кальция и сероводородной коррозией с образованием ма­лорастворимых соединений, что сопровождается увеличением объема твердой фазы. Метод оценки коррозионной стойкости за­ключается в длительном наблюдении за образцами тампонаж­ного камня, погруженными в пластовую воду или ее имитацию. Температура агрессивной среды при этом должна соответство­вать температуре пластовой воды в естественных условиях. Размер образца 1•1•3 см.

Объемные изменения при твердении можно оценить с помо­щью прибора для определения набухания грунтов (ПНГ). При этом измеряются изменения объема, происходящие на ранней стадии твердения.

Показания индикатора а используют в расчете условной ве­личины объемного изменения.

---

Дата добавления: 2015-07-15