Akademia górniczo-hutnicza im. stanisława staszica w krakowie

SPRAWOZDANIE

PODSTAWOWE METODY BADAŃ ZACZYNÓW CEMENTOWYCH

2011-11-04

WYKONAŁY:

kierunek: górnictwo i geologia

SPIS TREŚCI		strona
	Wprowadzenie		3
	Sporządzanie zaczynu cementowego		3
	Przyrządy i materiały		3
	Sposób przygotowania		4
	Oznaczanie gęstości		4
	Waga Baroid		4
	Przebieg badania		4
	Oznaczanie rozlewności		5
	Przyrządy i materiały		5
	Przebieg badania		6
	Oznaczanie filtracji względnej zaczynu cementowego		6
	Prasa filtracyjna		6
	Przebieg badania		6
	Oznaczanie lepkości		7
	Przebieg badania z użyciem lejka polowego		7
	Lepkościomierz obrotowy bezpośrednio wskazujący		7
	Przebieg badania z użyciem lepkościomierza obrotowego bezpośrednio wskazującego		8
	Wzory do obliczenia lepkości plastycznej i pozornej		8
	Wyniki badań i wnioski		8
	Wyniki grupy III dla poszczególnych prędkości obrotowych		8
	Wnioski		9
	Literatura		9

1. WPROWADZENIE

Przedmiotem badań jest określenie właściwości cementów wykorzystywanych do cementowania otworów wiertniczych. Są to materiały wiążące hydrauliczne, które spełniają wymagania zawarte w normie. Mieszane są one z wodą zarobową będącą w użyciu na wiertni w celu sporządzenia zaczynu cementowego. Substancje rozpuszczalne w wodzie mają za zadanie regulację parametrów zaczynu oraz kamienia cementowego. Do zaczynu cementowego dodawane są również wypełniacz, które mają na celu nadanie żądanych właściwości zarówno jemu jak i kamieniowi cementowemu. Stosunek masy wody do masy cementu wraz z wypełniaczami nazywamy współczynnikiem wodno-cementowym. Wielkość współczynnika określa się doświadczalnie. Zaczyn jest mieszaniną dobrze przetłaczalną w czasie potrzebnym do wykonaniu zabiegu cementowania oraz dającą po związaniu nieprzepuszczalny, przylegający do skał i rur kamień cementowy. Badania zaczynów cementowych powinny odbywać się w warunkach otworopodobnych w zakresie temperatury i ciśnienia, które odtwarzane są w laboratoriach.

Zadania kamienia cementowego:

• odizolowanie strefy wodonośnej od otworu

• odizolowanie perspektywicznych złóż

• stabilizacja ścian otworu.

W czasie doświadczenia korzystaliśmy z cementu uniwersalnego CEM.II/BM (V-LL) 32,5R. Zaczyn cementowy o współczynniku w/c 0,6 został wymieszany w stosunku 600g wody do 1000g cementu. W trakcie doświadczenia określaliśmy:

• gęstość przy pomocy wagi Baroid,

• rozlewność przy pomocy arkuszu z naniesionymi na niego koncentrycznymi kręgami,

• filtrację przy pomocy prasy filtracyjnej,

• lepkość plastyczną przy pomocy lepkościomierza obrotowego,

• lepkość pozorną (wyliczaną na podstawie wzoru),

• lepkość umowną przy pomocy lejka polowego.

2. SPORZĄDZANIE ZACZYNU CEMENTOWEGO

1. Przyrządy

• waga techniczna minimum do 2000 g;

• cylindry pomiarowe o takich pojemnościach, dzięki którym możemy jednorazowo odmierzyć potrzebna ilość wody zaborowej z dokładnością do 0,2 %;

• sito o wymiarach boku kwadratowego oczka = 1 mm;

• stoper;

• mieszadła i nóż stalowy

• naczynia do mieszania zaczynu cementowego o takich wymiarach, które zapewnią dobre wymieszanie całkowitej objętości (ale nie dopuszcza się naczyń aluminiowych lub ocynkowanych).

2. Sposób przygotowania

• odmierzoną ilość wody wlewamy do naczynka, uruchamiamy mieszadło szybkoobrotowe i powoli wsypujemy do naczynia z wodą przygotowany cement;

• mieszamy do uzyskania jednolitego roztworu.

Ilość wody zarobowej i cementu dobiera się na podstawie warunków geologiczno-
technicznych panujących w otworze wiertniczym.

3. OZNACZANIE GĘSTOŚCI

1. Waga Baroid

Pomiar gęstości zaczynu cementowego wykonujemy za pomocą wagi Baroid. Waga ta, zwana także wagą ramienną czy płuczkową, składa się z ramienia, gdzie z jednej strony znajduje się naczynie na zaczyn cementowy z pokrywką i otworem przelewowym. Na drugim końcu znajduje się naczynie wypełnione śrutem do regulowania wagi. Ramię wagi jest zaopatrzone w przesuwany ciężarek i podziałkę. Poziomica umieszczona nad punktem podparcia ramienia wagi wskazuje jego położenie poziome. Przebieg badania jest taki sam jak w przypadku oznaczania gęstości płuczki wiertniczej.

Rys. 1 - Przykładowa konstrukcja wagi Baroid

Oznaczenia na rysunku nr 1:

1 - podstawa

2 - ramię

3 - naczynie na płuczkę

4 - przesuwalny ciężarek

5 - poziomica

6 - naczynie wypełnione
śrutem

7 - dodatkowy obciążnik

2. Przebieg badania

• ustawiamy wagę poziomo;

• wypełniamy świeżo wymieszanym zaczynem cementowym czyste i suche naczynie, następnie przykrywamy je nakrywką i dociskamy do pełnego osadzenia;

• usuwamy nadmiar płuczki;

• myjemy naczynie z zewnątrz;

• umieszczamy ramię wagi na łożysku podstawy;

• wyrównujemy zawartość naczynia przez przesunięcie ciężarka wzdłuż ramienia do punktu, przy którym ramię wagi przyjmie położenie poziome wg wskazań poziomicy;

• odczytujemy gęstość na podziałce ramienia, którą wskazuje nam krawędź ciężarka od strony podparcia.

4. OZNACZANIE ROZLEWNOŚCI

Parametr ten jest stosowany w celu określenia płynności zaczynu cementowego. Zasada oznaczenia polega na pomiarze rozlewu zaczynu na arkuszu, na który są naniesione koncentryczne kręgi. Taki pomiar wykonuje się w temperaturze 22 ±3˚C.

1. Przyrządy

• ścięty stożek metalowy z wypolerowaną powierzchnią wewnętrzną o obj. 120 cm³
  i masie nie mniejszej niż 300 g;

• szklana płytka o średnicy 300 mm;

• arkusz z koncentrycznie naniesionymi okręgami o średnicach od 100 do 300 mm co 10 mm oraz okręgiem o średnicy 64 mm;

• zaczyn cementowy (wykonany według wcześniej opisanych przez nas kroków).

Rys. 2 - Urządzenie do oznaczania rozlewności zaczynu cementowego

Oznaczenia na rysunku nr 2:

1 - stożek

2 - szklana płytka

3 - arkusz z koncentrycznymi okręgami

4 - śruba regulacyjna

5 - poziomica

2. Przebieg badania

• ustawiamy czysty i suchy wewnątrz stożek na środku poziomo ułożonej suchej płytki szklanej, która przykrywa arkusz;

• zaczyn cementowy wlewamy do stożka, wypełniając go po brzegi;

• podnosimy stożek gwałtownie do góry;

• w ciągu 10-15 sekund odczytujemy średnicę rozlewu w dwóch wzajemnie przecinających się kierunkach, które odpowiadają wielkości najmniejszej i największej;

• 
  za wartość rozlewni przyjmujemy średnią arytmetyczną najmniejszej i największej średnicy i podajemy ją w milimetrach.

5. OZNACZANIE FILTRACJI

Metoda oznaczenia filtracji polega na pomiarze objętości filtratu otrzymanego z prasy filtracyjnej. W celu otrzymania wyniku w jednostkach metrycznych należy pomnożyć przez 0,4788.

1. Prasa filtracyjna

1 - naczynie cylindryczne

2 - oddzielne dno

3 - pokrywa

4 - sito

5 - bibuła do sączenia

6 - uszczelka

7 - śruba dociskowa

8 - cylinder pomiarowy

Rys. 3 - Przykładowa konstrukcja prasy filtracyjnej

2. Przebieg badania

• wycieramy do sucha poszczególne części przyrządu;

• kładziemy sito i bibułę do sączenia na dnie naczynia;

• sprawdzamy uszczelki pod względem zniszczeń i zniekształceń;

• wlewamy zaczyn do poziomu ok. 2 cm poniżej górnej krawędzi naczynia;

• umieszczamy suchy cylinder pomiarowy pod rurką odpływową w celu odbioru filtratu;

• nakładamy i dociskamy pokrywę;

• wywieramy na zaczyn ciśnienie 0,7±0,035 MPa;

• mierzymy objętość filtratu po 7 min z dokładnością do 0,1 ml i przyjmujemy ją jako miarę filtracji.

Dodatkowo należy zmierzyć grubość osadu pozostawionego na bibule do sączenia z dokładnością do 0.5 mm oraz podać bliższe określenie osadu.

6. OZNACZANIE LEPKOŚCI

Pomiar lepkości zaczynu cementowego wykonuje się przy pomocy lejka polowego i polega na mierzeniu czasu przepływu 1000 cm³ tej substancji.

Rys. 4 - lejek polowy

1. Przebieg badania z użyciem lejka polowego

• do pomiaru używamy czystego i suchego leja;

• przymykamy palcem wylot lejka, wlewamy przez sito świeżo wymieszany zaczyn, aż lustro cieczy sięgnie poziomu siatki;

• szybko odsuwamy palec włączając jednocześnie sekundomierz;

• wyłączamy sekundomierz, gdy zaczyn osiągnie odpowiedni poziom w naczyniu;

• czas przepływu mierzony w sekundach jest umowną miarą lepkości.

2. 
   Lepkościomierz obrotowy bezpośrednio wskazujący

Lepkościomierze obrotowe bezpośrednio wskazujące są przyrządami służącymi do pomiaru lepkości plastycznej, pozornej i granicy płynięcia płuczek wiertniczych oraz zaczynów cementowych.

Charakterystyka lepkościomierza obrotowego:

• cylinder zewnętrzny (tulejka obrotowa): dwa rzędy otworów o średnicy 3,18 mm są umieszczone w odstępach 120^o wokół tulejki nieco poniżej zaznaczonej kreski;

• cylinder wewnętrzny (ciężarek).

Rys. 5 - Lepkościomierz obrotowy bezpośrednio wskazujący

Pomiar polega na mierzeniu wielkości skręcenia sprężyny w układzie dwóch cylindrów, z których cylinder zewnętrzny (rotor) jest obracany ze stałą prędkością obrotową. W trakcie obrotu rotor wytwarza moment, który przekazywany jest do cylindra wewnętrznego (boba)
i dźwigni kątowej. Skręcana sprężyna przeciwdziała ruchowi, a tarcza z przymocowaną do dźwigni kątowej skalą wskazuje na wartość momentu obrotowego.

3. Przebieg badania z użyciem lepkościomierza obrotowego bezpośrednio
   wskazującego

• nalewamy zaczyn do stabilnego pojemnika i dokładnie mieszamy;

• obniżamy głowicę lepkościomierza tak, aby obracający się cylinder zewnętrzny zanurzył się w zaczynie dokładnie po zaznaczoną kreskę;

• przy mechanizmie włączającym nastawionym na 600 obr/min naciskamy przełącznik mieszania i po 15 s go zwalniamy;

• czekamy na ustabilizowanie się wartości na tarczy;

• odczyt wykonujemy przy prędkości 600 obr/min;

• zmieniamy obroty na 300 i czekamy na ustabilizowanie się wartości na tarczy, po czym wykonujemy odczyt.

4. Wzory do obliczenia lepkości plastycznej i pozornej

• lepkość plastyczna płuczki

ηpl = M600 - M300

• lepkość pozorna płuczki

ηs = M600/2

W celu otrzymania wyniku w jednostkach metrycznych należy pomnożyć przez 0,4788.

7. WYNIKI BADAŃ I WNIOSKI

1. Wyniki grupy III dla poszczególnych prędkości obrotowych

M600 - 81

M300 - 55

Tabela 1. - Pomiar podstawowych parametrów zaczynów cementowych

GR	WSPÓŁCZYNNIK WODNO-CEMENTOWY (w/c)	GĘSTOŚĆ	ROZLEWNOŚĆ	FILTRACJA	LEPKOŚĆ UMOWNA	LEPKOŚĆ PLASTYCZNA	LEPKOŚĆ POZORNA
I	0,5	1,73	230	10,4	23	38	55
II	0,55	1,79	240	15,273	17	46	58
III	0,6	1,66	255	12,(6)	26	26	40,5
IV	0,65	1,61	250	10,3	13	21	30
JEDNOSTKA		[kg/m^3]	[mm]	[ml/s]	[s]	[mPa·s]	[mPa·s]

3. Wnioski

Na podstawie wykonanych doświadczeń możemy dojść do wniosku, że zaczyn cementowy o w/c=0,6 ma największą rozlewność spośród wszystkich czterech badanych zaczynów. Jego lepkość pozorna jest najwyższa w stosunku do pozostałych, jednakże lepkości plastyczna i umowna są mniejsze od lepkości zaczynów o w/c=0,5 i w/c=0,55 , a większa od lepkości zaczynu o w/c=0,65. Dzięki temu, że ma prawie najmniejszą gęstość jest cięższy jedynie od zaczynu grupy IV. Na podstawie wyników dotyczących filtracji, można wywnioskować, że zaczyn ten miał średnią ilość filtratu (więcej niż próbki I i IV, a mniej niż II).

8. LITERATURA

• Polska norma „Cementy i zaczyny cementowe do cementowania w otworach wiertniczych” PN-85 G-02320

• L. Szostak „Wiertnictwo”, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1989

9

---