Свойства цементных растворов и цементного камня

С точки зрения гарантии успешности бурения наиболее часто определяют следующие свойства цементов:

1) плотность, ρ, кг/м³;

2) растекаемость, мм;

3) начало схватывания, час, мин.;

4) конец схватывания, час, мин.;

5) предел прочности на изгиб, σ_И, кгс/см²;

6) равномерность изменения объёма, да/нет;

7) тонкость помола, да/нет;

8) содержание вредных примесей, %

Свойства цементных растворов прямо зависят от водоцементного отношения ВЦО, которое соответственно определяется как отношение массы затворённой воды m_В к массе цемента m_Ц:

ВЦО = m_В/m_Ц

Обычно у портландцементов свойства определяют при ВЦО = 0,5. Если ВЦО будет меньше 0,5, то плотность цементного раствора увеличится, а скорость схватывания уменьшится. Это важно для присмотра за оперативным расходом цемента. Имеется в виду, что обычная плотность буровых тампонажных растворов от строительных портландцементов равна 1,65 г/см³, а заявленная их плотность обычно равна 1,85 г/см³, то есть с меньшим ВЦО. И если, без соответствующей лабораторной проверки, при цементировании не экономят цемент для оперативных производственных надобностей, а делают плотность цемента равной проектной, то ретивые исполнители часто получают козла.

Для исследования свойств цементов количество цементного порошка и воды затворения рассчитывают следующим образом. Например, если ВЦО = 0,4, то это значит, что для замеса цементного раствора надо взять четыре массовых части воды и десять массовых частей цементного порошка, а всего четырнадцать массовых частей. То есть, например, на четыре килограмма воды надо взять десять килограмм цементного порошка. Или, четыреста грамм воды надо смешать с одним килограммом цемента.

Если, например, требуется сделать один литр цементного раствора с ВЦО = 0,5 и плотностью ρ_ЦР = 1,65 г/см³, то всего надо взять всего 1650 г воды и цементного порошка. Причём в этой массе всего будет 5 частей воды и 10 частей цемента. А на одну часть будет приходиться массы 1650 / (5+10) = 110 г. Отсюда следует, что для образования одного литра цементного раствора надо взять 5 × 110 = 550 г воды и 10 × 110 = 1100 г цемента.

Плотность.

Плотность цементного раствора определяется аналогично плотности промывочной жидкости в пункте 6.2.1.

Растекаемость.

Идея растекаемости заключается в том, что цементный раствор при цементировании, поднимаясь снизу вверх по затрубному пространству ОК, под действием силы тяжести этой более плотной жидкости, чем промывочная, должен достаточно хорошо растекаться на стороны, чтобы хорошо заполнять каверны в стенках скважины. В результате чего должен получаться непроницаемый тампонаж затрубного пространства ОК, независимо от режимов цементирования, всяких там ламинарных, турбулентных или структурных. Но это для дополнительного образования. Однако при этом надо не забывать, что растекаемость цементного раствора в скважине лучше при большем времени цементирования.

Растекаемость цементного раствора определяется на приборе конус АзНИИ (Рисунок 76), названного в честь Азербайджанского научно-исследовательского института. Он представляет из себя усечённый конус, объёмом 120 см³.

Определение растекаемости производится по следующей последовательности. Конус устанавливают посередине на горизонтально поставленный диск с концентрической шкалой и пузырьковым прибором определения горизонтальности посредине. Этот диск есть не конус, а диск, несмотря на то, что на нём написано, что он есть конус (КР-1). Затем приготавливают соответствующее количество цементного раствора, который перемешивают в течение двух минут с момента затворения цемента с водой. Затем наполняют цементным раствором конус заподлицо (за под лицо). Излишек цементного раствора срезается ровным предметом, и затем конус рукой поднимается вверх. Средний диаметр растёкшейся при этом цементной лепёхи и есть величина растекаемости. Растекаемость должна быть не меньше 180 мм.

Рисунок 76. Конус АзНИИ, он же конус растекаемости КР-1

Начало схватывания.

Начало схватывания есть промежуток времени от момента начала затворения цементного порошка в воде до момента начала схватывания этого цементного раствора.

Момент времени начала схватывания определяют на приборе игла Вика (Рисунок 77). Этот прибор оборудуется привинчиваемой иглой 1 диаметром 1,1. Игла привинчивается вместо привинчиваемого пестика 2, который используется для определения нормальной густоты цементного теста. Прибор имеет давящий груз 2, массой 300 г. При этом в сборный стакан 3 с подложкой 4 наливают 300 мл цементного раствора и производят ОЗЦ. В течение этого времени несколько раз, через заданные промежутки времени, иглу подводят до поверхности цемента и отпускают под действием груза. Укол теста производят каждый раз в новое место. Моментом начала схватывания считается момент времени, при котором игла Вика не доходит до дна стакана 1÷2 мм. Это определяют по шкале 6.

Рисунок 77. Игла Вика ИВ-2

Конец схватывания.

Определяется аналогично началу схватывания. Моментом конца схватывания считается момент, когда игла Вика может только воткнуться в цемент на 1÷2 мм.