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 _зг=(0,25 - 0,5) _ст і найменша при розтягуванні _роз=(0,1 - 0,15) _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.

Визначення міцності на вигин каменю з портландцементів і, іі і ііі типів

ДСТУ передбачено визначення міцності цементного каменю на вигин з використанням зразків призмоподібної форми квадратного перерізу на спеціальних приладах (вага Міхаеліса, МИИ-100, 2035П-05). Найбільш досконалою на даний час є установка ПЦК-1. Вона дозволяє визначати міцність на вигин і стискання зразків цементного каменю, які утворилися при температурі і тиску, що відповідають умовам свердловини. Прилад Міхаеліса, крім випробування призм на вигин, дозволяє проводити також випробування зразків на розтяг.

У відповідності до технічних вимог чинного ДСТУ міцність цементного каменю на вигин повинна відповідати значенням поданим у таблиці 11.1.

Таблиця 11.1 - Значення міцності цементного каменю на вигин

Міцність при вигині, МПа, не менше, у віці	Значення для цементу при t0 застосування
	низьких і нормальних		помірних та підвищених
	Тип І, ІІ	Тип ІІІ-пол	Тип І, ІІ	Тип ІІІ-пол	Тип ІІІ-пов
1 доба	-	-	3.5	-	-
2 доби	2.7	0.7	-	1.0	2.0

Порядок виконання роботи

1. Засоби контролю.

1.1. Для виготовлення зразків-балочок використовують такі форми:

- форма розміром (40 х 40 х 160)мм для виготовлення зразків-балочок при випробуванні цементів для низьких, нормальних і помірних температур;

- форма розміром (20 х 20 х 100)мм для виготовлення зразків-балочок при випробуванні цементів для підвищених температур.

1.2. Для визначення показника міцності допускається використання приладу будь-якої конструкції, що забезпечує можливість прикладання навантаження за заданою нижче схемою (рис.11.1), з середньою швидкістю зростання навантаження (15±2) Н/с і які мають прилад, що дозволяє вимірювати руйнівне навантаження з похибкою не більше ±1%.

1.3. Водяний термостат для випробування зразків з цементу для помірних температур, що забезпечує підняття температури зі швидкістю не менше 2⁰С/хв і підтримку заданої температури з похибкою не більше ±3⁰С.

1.4. Автоклав для випробування зразків з цементу для підвищених температур повинен забезпечувати підняття температури зі швидкістю не менше 2⁰С/хв, та рівномірне підняття тиску у процесі виходу на режим випробувань.

1.5. Максимальний діапазон тисків та температур при різних режимах випробувань подані в таблиці 11.2.

1 - навантажувальний елемент; 2 - зразок-балочка; 3 – опора

Рисунок 11.1 - Схема розташування зразка-балочки при випробуванні на розтягання при вигині

Таблиця 11.2 - Значення тисків та температур при різних режимах випробувань

Температура	Температура, 0С		Режимний	Час досягнення
застосування цементу, 0С	попереднього прогріву	режим-на	тиск, МПа	режимних параметрів, хв
Низька і нормальна	22±2	22±2	атмосферний	-
Помірна	30±3	75±3	атмосферний	22±3
Підвищена	75±3	120±5	40±6	25±3

2. Підготовка і проведення випробувань при атмосферному тиску.

2.1. Цементне тісто готують за пунктами 1.3 - 1.5 лабораторної роботи №3.

При застосуванні змішувача цементне тісто готують за два прийоми з наступним перемішуванням обох порцій вручну протягом 1хв. Інтервал між приготуванням обох порцій цементного тіста не повинен перевищувати 5хв. Цементне тісто при приготуванні вручну готують за один прийом.

2.2. Підготовлені форми наповнюють цементним тістом за два прийоми при безперервному ручному перемішуванні його у чаші. Через 1 год після наповнення форми надлишок цементного тіста зрізають ножем врівень з краями форми. Для кожного встановленого терміну випробування виготовляють по три зразки-балочки (одна форма).

2.3. Форми із зразками з цементу для низьких і нормальних температур розміщують у шафі повітряно-вологого зберігання. Через (24±1) год з моменту виготовлення зразки виймають з шафи, обережно розформовують, маркують і розміщують у ванні з водою, температура якої (20±2)⁰С, де зберігають до проведення випробувань.

2.4. Форми із зразками з цементу для помірних температур покривають склянною або металевою пластиною і розміщують у термостаті, температура води у якому відповідає температурі попереднього прогріву за таблицею 4.2. Через (24±1) год зразки виймають з термостата, розформовують і маркують. Зразки з цементу, для яких нормативним документом встановлено термін випробувань – 1 доба, охолоджують у ванні з водою при температурі (20±2)⁰С протягом 1год 30хв.

Зразки з цементу, для яких нормативним документом встановлено термін випробувань – 2 доби, після розформування знову розміщують у термостаті і зберігають у ньому до проведення випробувань. Перед випробуванням зразки виймають із термостата і охолоджують у ванні з водою при температурі (20±2)⁰С протягом 1год 30хв.

2.5. Після закінчення терміну зберігання за п.2.3 або охолодження за п.2.4 зразки виймають з води і не пізніше ніж через 30хв проводять випробування.

3. Підготовка і проведення випробуванння при підвищеному тиску.

3.1. Для виготовлення зразків з цементу для підвищених температур використовують дві форми розміром 20мм х 20мм х 100мм. Перед наповненням цементним тістом внутрішні поверхні форм змащують машинним мастилом, а потім перевіряють герметичність форм, заповнюючи їх водою. Після перевірки герметичності воду виливають.

3.2. Форми заповнюють цементним тістом, яке приготовлене за пунктами 1.3 - 1.5 лабораторної роботи №3, надлишок тіста зрізають ножем і не пізніше ніж через 30хв від початку замішування цементу форми із зразками розміщують у автоклаві. Температура попереднього прогріву автоклава, а також режимні параметри повинні відповідати нормативам таблиці 3.2. Час витримки при робочому режимі встановлюють за нормативним документом на цемент і відраховують від моменту досягнення режиму тверднення до моменту відключення автоклава.

3.3. Перед вийманням форм із зразками з автоклава його слід охолодити до температури 75⁰С і знизити тиск до атмосферного.

3.4. Видалені з автоклава форми із зразками охолоджують (30±5)хв на повітрі при температурі (20±2)⁰С, розформовують, зразки протирають віхтем, маркують і розміщують у ванні з водою.

Зразки випробовують не пізніше ніж через 2год 30хв після видалення із автоклава.

4. Визначення міцності при вигині.

4.1. Випробування проводять у терміни зазначені у пп.2.5 і 3.4.

4.2. Безпосередньо перед випробуванням з поверхні зразків видаляють краплі води.

4.3. Міцність при вигині зразків-балочок визначають у відповідності з інструкцією до приладу «МИИ-100».

5. Обробка результатів.

5.1. Міцність при вигині s_виг, МПа, окремого зразка-балочки обчислюють за формулою:

, _(11.1)

де Р – руйнівне навантаження, Н;

L – відстань між осями опор, мм;

b – сторона квадратного перерізу зразка-балочки, мм.

За міцність при вигині приймають середньоарифметичне значення результатів випробувань усіх зразків, яких розміром (20 х 20 х 100)мм повинно бути не менше чотирьох.

Результати обчислень округлюють до 0,1 МПа.

5.2 Якщо один з результатів випробувань відрізняється більше ніж на 10% від середньоарифметичного значення, цей результат слід виключити і розрахувати середньоарифметичне значення для результатів, що залишились. Якщо два результати випробувань відрізняються більше ніж на 10% від середньоарифметичного значення, результати признають недійсними і випробування слід повторити.

6. Результати випробувань заносять у таблицю 11.3.

Таблиця 11.3 - Результати визначення міцності цементного каменю при вигині

№ п/п	Тип цементу	Маса цементу, г	Водоцементне відно-шення	Дата і час		Темпертура витримування зразків, 0С	Границя міцності при вигині, МПа
				виготовлення зразків	випробо-вування зразків