Визначення густини сухого цементу

Лабораторна робота №1

ВИЗНАЧЕННЯ пористості і густини

ГІРСЬКИХ ПОРІД

Мета роботи: Вивчення методики визначення відкритої та загальної пористості гірських порід, а також їх об'ємної та питомої маси.

Теоретичні відомості

Пористість, наряду із шаруватістю, сланцюватістю і тріщинуватістю належить до текстурних ознак гірських порід.

Пористість гірських порід – це відношення об’єму пор(порожнин) до об’єму зразка породи:

, % (1.1)

, частки (1.2)

 

де П – пористість, (%, частки);

V_п – об’єм пор(порожнин), (одиниці об’єму);

V_зр – об’єм досліджуваного зразка гірської породи, (одиниці об’єму).

Розрізняють відкриту П_в, закриту(ізольовану) П_з і загальну(абсолютну) П_заг пористість.

, % (1.3)

, % (1.4)

, % (1.5)

де V_вп, V_зп, V_п – відповідно об’єми порожнин (відкритих, закритих і сумарний) в досліджуваному взірці гірської породи.

Відкрита пористість менша за загальну тому, що в породі завжди є замкнуті (ізольовані) пори.

Пористість порід залежить від їх петрографічного складу, глибини залягання та інших факторів. Як правило, уламкові гірські породи мають більшу пористість, ніж кристалічні. Пористість магматичних і метаморфічних порід мала (в межах 0,8 - 1.2%) і пов’язана в основному з тріщинуватістю.

Пористість гірських порід зменшується із зростанням глибини їх залягання, що пояснюється ущільненням під дією ваги розташованих вище порід.

Загальну та відкриту пористість зразків гірських порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2. Пористість визначається за зміною тиску при стискуванні повітря в бюретці певного об’єму, котру з’єднано з камерою із зразком. Прилад дає змогу оцінити густину гірських порід.

Об’ємна вагаg₀, а також об’ємна маса(густина)r₀ – це відповідно вага G і маса M всіх основних агрегатних фаз породи (твердої, рідкої, газоподібної) в одиниці об’єму зразка гірської породи.

, Н/м³ (1.6)

, кг/м³ (1.7)

Питома вагаg, а також питома маса(мінеральна густина) r це відповідно вага G_т і маса M_т одиниці об’єму твердої фази(матеріалу) гірської породи.

, Н/м³ (1.8)

, кг/м³ (1.9)

Прилади і матеріали для проведення роботи

Сушильна камера, зразки гірської породи об’ємом 10 – 20 см³ , прилад СПВ-2, набір сталевих кульок різного розміру, контейнер з висушеним піском дрібної фракції, сито з отворами, більшими за розміри піщинок, штангенциркуль, мірний циліндр, секундомір, металева лінійка, а також електронна вага (рис. 1.1), призначена для зважування взірців гірської породи, посудина для подрібнення взірця, молоток.

Рисунок 1.1 − Загальний вигляд електронної ваги

Опис приладів

Прилад СПВ-2 і його схема показані на рисунках 1.2 та 1.3 відповідно.

В зібраному стані прилад СПВ-2 містить (рис. 1.2) герметичну камеру, верхня частина І якої заповнена повітрям, а нижня ІІ – рідиною(водою).

Рисунок 1.2 – Загальний вигляд приладу СПВ-2	Рисунок 1.3 – Схема приладу СПВ-2

У верхній частині повітряної камери розміщений столик 15, на якому встановлюють стакан 4 і кришку камери 3. Кришка камери 3 гвинтом 1 відкидної скоби 2 через гумове ущільнення 6 притискається до столика 15 і герметизує камеру. Кран 7 служить для з’єднання повітряної камери з атмосферою.

У нижній частині повітряної камери розміщена скляна бюретка 8, об’ємом 10 см³, з нижньою 13 і верхньою 14 міткою, яка гумовою трубкою з’єднана зі скляним резервуаром для рідини 11, сильфоном 9 з гвинтом 10 і манометром 12.

Порядок виконання роботи

1. Готують взірці гірської породи, для чого висушують їх в сушильній камері протягом 1 – 1,5 год. при температурі 100 – 105°С, охолоджують до кімнатної температури і нумерують.

2. Визначають загальний об’єм досліджуваного зразка.

а) При наявності зразка правильної форми визначення об’єму проводиться за його геометричними розмірами. Наприклад, для циліндричного зразка вимірюють висоту і діаметр зразка. Їх значення визначають як середні з чотирьох вимірів. Загальний об’єм зразка розраховують за формулою

(1.10)

де d – середній діаметр зразка;

h – середня висота зразка.

б) При роботі з сипучими породами досліджуваний матеріал засипають доверху в стакан 4. В цьому випадку в розрахункову формулу (1.5) замість V_зр підставляють значення внутрішнього об’єму стакана V_ст.

в) При роботі із взірцями неправильної форми їх об’єм визначають так.

В стакан 4 засипають шар дрібного, добре просіяного і просушеного піску. Досліджуваний взірець поміщають в стакан поверх піску, після чого вільний простір, що залишився, заповнюють доверху тим же піском. Постукавши легко по краю стакана, ставлять його на підставку електромагнітного вібратора, котрий вмикають на 20 с в мережу змінного струму. Після цього стакан знову заповнюють доверху піском. Надлишок піску над рівнем країв стакана зсувають металевою лінійкою. Потім пісок з породою висипають на сито. При цьому взірець породи залишається на ситі, а пісок висипається на підкладений листок паперу. Пісок засипають в мірний циліндр, кладуть на підставку включеного вібратора і через 20с визначають його об'єм V_п. Загальний об’єм зразка визначають як різницю між внутрішнім об’ємом склянки і об’ємом піску

V_зр=V_ст – V _п. (1.11)

3. Перевіряють прилад на герметичність. Для цього, помістивши в камеру декілька кульок, регулювальним диском 10 стискують повітря в камері 3 до 0,03 – 0,05 МПа. Якщо через 1−2 хв. тиск на манометрі не зменшується − прилад герметичний.

4. Кульки (сумарним об’ємом близько 5 см³) поміщають в стакан 4. Стакан встановлюють на підставку 8 в камері 3. Гвинтом 1 герметизують камеру. Регулювальним диском 10 стискують сильфон 9 і підіймають рівень води в бюретці до нижньої мітки 13. При цьому кран 7 повинен бути відкритий – в системі зберігається атмосферний тиск.

Закривши кран 7, стискають сильфон, поки рівень води не досягне верхньої мітки 14. Стискання потрібно проводити якомога рівномірніше. Через 10−15 с манометром 17 вимірюють тиск в системі.

Обертаючи регулювальний диск 10, опускають рівень води нижче мітки 13, роблять запис в журналі, відкривають кран 7, відкручують гвинт 1, знімають камеру 3 для заміни зразка.

При виконанні досліду не можна підіймати рівень води вище верхньої мітки 14, а також допускати попадання повітря в систему.

5. Аналогічно п.3 повторюють досліди з еталонними кульками об’ємом близько 8см³, 11см³, 14см³, 17см³ .

6. За отриманими даними будують калібрувальну криву. На осі абсцис відкладають об’єм еталонів, розрахований за їх геометричними розмірами, На осі ординат – значення тиску манометра.

7. Досліджуваний взірець поміщають в стакан 4 приладу і проводять з ним дослід аналогічно п.4.

8 Ретельно подрібнивши зразок, поміщають його в стакан 4 приладу і проводять дослід аналогічно п.4.

9. За отриманими при виконанні п.7 і п.8 значеннями тиску на манометрі по калібрувальній кривій знаходять об’єм V_зр^* зразка породи, непроникного для повітря і об’єм V_ск скелета породи в зразку.

Оскільки об’єм пор, які з’єднані між собою V_{0 =} V_зр – V_зр^*, то згідно (1.1), відкриту пористість знаходять за формулою

П_відк= [(V_зр – V_зр ^*)/V_зр] 100%. (1.12)

Загальну пористість визначають за формулою

П_заг= [(V_зр – V_ск) /V_зр]100%, (1.13)

За формулами(1.7) і (1.9) визначають об’ємну і питому масу породи.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. В чому різниця між загальною та відкритою пористістю порід?

2. Від чого залежить пористість порід?

3. Пористість яких порід більша − осадових, магматичних чи метаморфічних?

4. Як змінюється пористість з глибиною залягання порід?

5. Які властивості порід можна визначити за допомогою приладу СПВ-2?

6. З яких основних вузлів складається прилад СПВ-2?

7. Як побудувати калібрувальну криву?

8. Зразки якого мінімального об’єму рекомендується використовувати для вимірювання пористості? Чому?

9. Як визначити загальний об’єм зразка неправильної геометричної форми?

10. В чому різниця між об'ємною та питомою масоюгірських порід?

11. Як визначити загальну пористість порід на приладі СПВ-2?

 

Лабораторна робота №2

ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ ПРОСТИХ ВИДАХ

НАВАНТАЖЕННЯ

Мета роботи: Освоєння методики і набуття практичних навиків у визначенні міцності на стиск, розтяг, зсув, згин і встановлення співвідношення між цими характеристиками для одного і того ж матеріалу.

Теоретичні відомості

Міцність – це здатність твердого тіла чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних навантажень.

Вона характеризується межею міцності при стиску, розтягу, згині і зрізові.

Межа міцностіs – напруження, при якому зразок руйнується:

(2.1)

де P – руйнівне навантаження;

F – площа, на яку діє прикладене навантаження.

Міцнісні характеристики гірських порід значно різняться залежно від виду навантаження. Найбільшу міцність гірські породи мають на стиск, найменшу – на розтяг. Це пояснюється тим, що при стиску ” працює ” увесь об’єм зразка, а при розтягу – цемент між складовими мінеральними частинами породи в найбільш послаблених місцях. Міцність на зсув є другою після міцності на стиск, а міцність на поперечний згин близька до міцності на розтяг, бо при поперечному згині в зовнішніх шарах зразка, від точки прикладання згинаючих зусиль, виникають напруження розтягу, а у внутрішніх – напруження стиску. При зсуві значну роль відіграють сили внутрішнього тертя, які чинять опір руйнуванню.

Визначення міцності на стиск

Міцність на стиск s_ст визначається при одноосьовому розтискуванні циліндричного взірця. На рисунку 2.1 показано загальний вигляд преса при визначенні міцності на стиск взірця гірської породи, а на рисунку 2.2 – схема навантаження.

Міцність на стиск визначається, як відношення зусилля, при якому відбулося руйнування взірця, до площі поперечного перерізу взірця:

, (2.2)

де P – руйнівне навантаження, Н;

d − діаметр циліндричного взірця, м;

1 – взірець; 2 – столик поршня
Рисунок 2.1 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на стиск	Рисунок 2.2 – Схема навантаження зразка при визначенні міцності на стиск sст

Визначення міцності на розтяг

Для випробовування гірських порід на розтяг застосовують метод розколювання стискуючим зосередженим навантаженням (“ бразильський ” метод). Суть його полягає в тому, що навантаження на зразок передається через співвісні клини. У цьому випадку, як відомо з теорії пружності, зразок руйнується від напружень розтягу, що виникають на поверхні, по якій відбувається руйнування. Достатнє наближення до цієї схеми дає навантаження циліндричного зразка по його твірних (рис. 2.3, 2.4).

При цьому руйнування відбувається по діаметральній площині. Тоді міцність на розтяг s_р визначається як

(2.3)

де d – діаметр циліндричного взірця, м;

h – висота взірця, м.

1 – взірець; 2 – столик поршня
Рисунок 2.3 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на стиск	Рисунок 2.4 – Схема навантаження взірця при визначенні міцності на розтяг sр

Оскільки навантаження не є зосередженим і передається не по лінії, а по деякій прямокутній площині, значення міцності на розтяг, одержані таким чином, будуть трохи завищеними порівняно з істинними значеннями, одержаними шляхом безпосереднього розриву взірців.

Визначення міцності на зсув

Міцність гірських порід на зсув звичайно визначають при випробовуваннях на зріз (рис. 2.5, 2.6). При цьому використовують призматичні взірці.

Рисунок 2.5 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на зсув	Рисунок 2.6 – Схема навантаження взірця при визначенні напруження зсуву tзс

Міцність на зсув визначається як відношення руйнівного зусилля P до площі поверхні руйнування F:

t_зс = P/F. (2.4)

Для зразка прямокутного перерізу

F = 2 ´ b ´ h, (2.5)

де b – ширина перерізу призматичного взірця, м;

h – висота перерізу, м.

Визначення міцності на згин

При випробовуванні на поперечний згин зразок призматичної форми встановлюють на дві опори і навантажують посередині зосередженим зусиллям (рис. 2.7, 2.8).

Міцність на поперечний згин визначається як відношення максимального згинаючого моменту М до моменту опору згину W.

s_зг = М/W, (2.6)

М = P ´ L/4, (2.7)

W = b ´ h²/6, (2.8)

де b – ширина перерізу призматичного взірця, м;

h – висота перерізу, м;

L − відстань між опорами.

Рисунок 2.7 – Загальний вигляд установки при визначенні міцності на згин	Рисунок 2.8 – Схема навантаження взірця при визначенні напруження згину sзг

Прилади і матеріали для проведення роботи

Ручний прес, форма з плунжером для випробування на зріз, опора з клином для випробування на згин, штангенциркуль, взірці.

Для визначення міцності на стиск і розтяг потрібні циліндричні взірці діаметром 40–45 мм з відношенням довжини зразка l до його діаметра d_{з р} . Для випробування на згин і зріз використовують зразки призматичної форми з такими геометричними розмірами b ´ h ´ L = 2 ´ 2 ´ 6 см.

Опис приладів

Гідравлічний прес (рис. 2.9), що складається з корпусу 1, в якому розміщені великий 2 та малий 3 циліндри. У великому циліндрі 2 встановлений поршень 4, в малому – плунжер 5.

Плунжер 5 приводиться в дію важелем 6, який шарнірно встановлено на опорі 7, прикріпленій до корпусу 1. При русі плунжера 5 вгору робоча рідина перетікає з бачка для оливи 8 через всмоктувальний клапан 9 в малий циліндр 3. В той же час, олива, що знаходиться над нагнітальним клапаном 10, перетікає по прямому каналу 11 у великий циліндр 2, тиск в якому фіксується манометром 12. Із збільшенням об’єму рідини у великому циліндрі 2, поршень 4 піднімається.

На столику поршня 13 встановлюють досліджуваний взірець 14, який при підійманні поршня 4 упирається в опорну плиту 15, приєднану до корпуса 1 двома штангами 16 і руйнується. Тиск після руйнування взірця різко спадає.

Поршень 4 встановлюють в початкове положення вручну: попередньо відкривши кран 17, слід натиснути на столик плунжера 13, тим самим перемістити робочу рідину з великого циліндра 2 в бачок для оливи 8, після чого кран 17 закрити. Якщо не закрити кран 17, то створити тиск у великому циліндрі 2 буде неможливо, оскільки робоча рідина буде циркулювати по колу з бачка для оливи 8 через малий циліндр 3, великий циліндр 2 і знову в бачок для оливи 8.

Зусилля P, яке створює поршень, визначається добутком тиску p в циліндрі на площу поперечного перерізу поршня:

, (2.9)

де d_пл – діаметр поршня, м.

Порядок виконання роботи

1. Підбирають взірці для досліджень (по 3 – 4 взірці на кожний вид випробування), слідкуючи за тим, щоб вони не мали тріщин, каверн чи інших дефектів, нумерують. У взірців, які готують для визначення s_ст, особливо ретельно контролюють паралельність торців циліндра і перпендикулярність їх до поздовжньої осі, бо від цього залежить точність експериментів.

2. Результати вимірювань взірців заносять до журналу (табл. 2.1).

3. Взірці встановлюють у пресі за схемами навантаження, як показано на рис. 2.1 –2.7 і руйнують їх. В момент руйнування фіксують покази манометра і заносячи їх значення до журналу.

4. За формулою (2.1), розраховують величину руйнуючого навантаження і визначають значення s_ст , s_р , t _зс , s_зг згідно формул 2.2 – 2.8.

5. Отримані результати заносять у таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Результати визначення межі міцності при простих видах навантаження

Вид навантаження	№ досліду	Розміри зразка	Тиск на манометрі	Площа поршня	Руйнівне навантаження	Площа руйнування	Напруження
d, м	L, м	b, м	h, м	p, Па	Sп, м2	P, Н	F, м2	s, Па

Вказівки з техніки безпеки

Виконуючи лабораторну роботу, слід дотримуватися таких правил техніки безпеки:

1. Починати стискування дозволяється тільки при повній впевненості, що люди знаходяться на безпечній відстані від преса.

2. При стискуванні зразка забороняється притримувати його руками, а також наближати обличчя до преса на відстань меншу за 0,7м.

Контрольні запитання

1. Як зміниться міцність на стиск, якщо торці зразка непаралельні?

2. Якщо один із торців буде мати випуклу форму, то як це вплине на результати визначення міцності на стиск?

3. Як визначати міцність на розтяг, маючи зразок кубічної форми?

4. Чи можна визначити методом розколювання міцність на розтяг, маючи зразок у вигляді тонкої пластини?

5. У чому переваги і недоліки бразильського методу визначення міцності на розтяг?

6. Як зміняться результати визначення міцності на розтяг, якщо створювати навантаження через клини, розташовані на одній осі?

7. Як в цій роботі визначається величина руйнівного навантаження?

8. По скількох поверхнях відбувається руйнування взірця при випробуванні на зріз?

9. Чому для гірських порід має місце нерівність s_ст. > t_зс > s_зг > s _р?

10. Як визначити s_зг, використовуючи гідравлічний прес?

 

Лабораторна робота № 3

ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ГІРСЬКИХ ПОРІД МЕТОДОМ ВТИСКУВАННЯ

ШТАМПА

Мета роботи: Засвоєння методики визначення механічних властивостей гірських порід методом втискування штампу, а також ознайомлення з характерними особливостями руйнування гірських порід.

Теоретичні відомості

Метод втискування циліндричного штампу з плоскою основою є основним при визначенні механічних властивостей гірських порід стосовно буріння свердловин. Це пояснюється тим, що втискування штампу найреальніше моделює процес дії породоруйнівних елементів долота на породу при її руйнуванні на вибої.

а) – для м’яких і середніх порід; б) – для твердих порід Рисунок 3.1 – Циліндричні штампи

При визначенні механічних властивостей гірських порід використовують циліндричні штампи з плоскою основою (рис. 3.1). При випробовуванні дуже твердих порід доцільно використовувати штампи у вигляді конуса з кутом при вершині до 60°, площею 1 мм² (рис. 3.1, б), які повністю виготовлені з твердого сплаву. Для щільних і однорідно пористих порід слід використовувати циліндричні штампи площею 2мм² (рис. 5.1, а). Штампи площею 3 – 10 мм² використовують для дослідження сильно пористих і неміцних гірських порід.

Всі гірські породи за характером поведінки при втискуванні штампу поділені на три класи: І – пружно-крихкі (рис. 3.2, а), ІІ – пружно-пластичні (рис. 3.2, б), ІІІ – сильно пластичні і дуже пористі (рис. 3.2, в).

Рисунок 3.2 – Діаграми “навантаження – деформації ” втискування штампу для різних класів порід

Суть методики полягає в тому, що у підготований зразок втискують штамп до моменту утворення лунки. В процесі втискування реєструють навантаження і деформацію, що відповідає цьому навантаженню.

За кривою “ навантаження –деформація ” оцінюють механічні властивості досліджуваної гірської породи.

Прилади і матеріали для проведення роботи

Ручний прес, індикатор переміщень, направляюча втулка, досліджувані взірці гірських порід, торсійна вага, пластилін.

Опис приладів

Лабораторна робота виконується на гідравлічному пресі з індикатором деформації загальний вигляд якого зображений на рисунку 3.3, а принципова схема на рисунку 3.4.

Рисунок 3.3 – Гідравлічний прес з індикатором переміщень

Порядок виконання роботи

1. На столику плунжера 13 встановлюють дослідний взірець 14 (алюміній), а на нього всередині направляючої втулки ставлять клин 18.

2. Підіймають плунжер із зразком до торкання верхньої основи конуса з упором 19. Стежачи за манометром, зупиняють хід плунжера при відхиленні стрілки манометра на 2 поділки (0,2 МПа). Це те значення тиску, що потрібне для підняття столика із зразком і усунення всіх зазорів і люфтів.

3. Опускаючи індикатор деформації 20, встановлюють

його ніжку на поверхні зразка. Щоб усунути всі люфти продовжують повільно опускати індикатор, поки стрілка на його шкалі не повернеться на один-два оберти. Після цього закріплюють індикатор.

4. Встановлюють шкалу індикатора так, щоб його стрілка показувала 0.

5. Збільшують тиск на одну поділку манометра, рахуючи від умовного нуля, беруть відлік по шкалі індикатора і записують в робочий журнал (табл. 3.1).

6. Продовжують дослід в тій же послідовності, тобто створюють навантаження ступенями, через кожну поділку манометра, по шкалі індикатора визначають деформацію, і всі отримані дані записують в робочий журнал. Граничний тиск вказує викладач.

7. Зареєстровані тиски перераховують у навантаження за формулою (3.1).

 

, (3.1)

 

де p – тиск в циліндрі, Па;

d_пл – діаметр плунжера, м.

Отримавши лунку руйнування при втискуванні індентора, її заповнюють пластиліном, який зважують на торсійній вазі і визначають об’єм лунки

, (3.2)

де − маса пластиліну;

− густина пластиліну.

Результати вимірювань записують у таблицю 3.1.

Таблиця 5.1 – Результати експериментів

№ п/п	Тиск р, Па	Навантаження Р, Н	Деформація (e), мкм.
Порода І класу	Порода ІІ класу	Порода ІІІ класу

Обробка отриманих результатів

1. За отриманими даними будують графіки деформацій в координатах: по осі ординат – навантаження (Р) в Н, по осі абсцис – деформація (h) в мкм.

2. Користуючись кривою, отриманою при випробовуванні породи ІІ класу, визначають механічні властивості.

Рисунок 3.5 – Розрахункова схема для визначення механічних властивостей породи ІІ класу

2.1. Твердість. Твердість по штампу р_шт визначається відношенням навантаження в момент руйнування Р_р = Р_ш до контактної площі штампу f_шт (рис. 3.5)

(3.3)

 

де d_шт – діаметр штампу, м.

2.2. Межа пружності. Межа пружності р_о визначається відношенням навантаження Р_о в точці переходу від чисто пружних деформацій до змішаних (точка А) до контактної площі штампу ¦_шт

(3.4)

 

2.3. Коефіцієнт пластичності. Коефіцієнт пластичності k_пл визначається співвідношенням загальної роботи, затраченої на руйнування А_заг до енергії пружних деформацій А_пр. Так як площа під кривою “навантаження – деформація ” пропорційна витраченій на деформування енергії, то коефіцієнт пластичності визначається співвідношенням площ S_{OABC O} і S_OЕGO (рис. 3.5)

(3.5)

2.4. Модуль Юнга. Модуль Юнга можна розрахувати за формулою

, (3.6)

де Р ' – довільно вибране навантаження, Н;

h ' _пр – пружна деформація, яка відповідає навантаженню Р ', м.

Оскільки відношення Р/h_пр є тангенсом кута нахилу прямолінійної ділянки кривої до осі деформацій, можна брати будь-які співвідношення Р і h_пр., дотримуючись їх відповідності. Наприклад, на графіку (рис. 5.3) можна взяти навантаження Р_о (ордината АD) і деформацію ОD, навантаження Р_р (ордината EG або ВС) і деформацію OG (деформація ОС – це загальна деформація; пружна – OG і залишкова – GC).

2.5. Об’ємна енергоємність руйнування. Об’ємна енергоємність руйнування А_v є питомою витратою енергії на одиницю об’єму зруйнованої породи і визначається як відношення загальної роботи А_{за г} до об’єму лунки V_л

(3.7)

Деформація самого штампу не враховується, аналогічно як і при розрахунку коефіцієнта пластичності.

3. Визначення механічних властивостей порід за кривими І і ІІІ класу проводиться після засвоєння методики визначення властивостей порід ІІ класу.

Для породи І класу не визначають межу пружності, оскільки в цьому випадку р₀ = р_шт. Також немає потреби визначати коефіцієнт пластичності, тому що для породи І класу А_заг = А_пр і k_пл = 1.

Оскільки при втискуванні штампу в породу ІІІ класу загального руйнування під штампом не відбувається, тому мірою твердості для таких порід є межа пружності (р_шт = р_о), а коефіцієнт пластичності визначають умовно [ 6 ].

4. Результати розрахунків записують у таблицю 3.2.

 

Таблиця 3.2 Результати визначення механічних властивостей порід

Назва породи

dшт, м

Рр , Н

ршт , Па

Р0, Н

р0 , Па

Sзаг, мм2

Sпр, мм2

kпл

Е, Па

Азаг , Дж

Vл , м3

Аv , Дж/м3

5. За результатами розрахунків визначають категорії твердості, пластичності та модуля Юнга досліджуваної породи (табл. 3.3 – 3.5).

 

Таблиця 3.3 – Класифікація гірських порід за твердістю

Група

І (м’які)

ІІ (середні)

ІІІ (тверді)

Категорія

Твердість за штампом, МПа

<100

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

>7000

Клас порід

сильно пластичні і дуже пористі

пружно-пластичні

пружно-крихкі

 

Таблиця 3.4 – Класифікація гірських порід за пластичністю

Категорія
Коефіцієнт пластичності		1-2	2-3	3-4	4-6
Клас порід	пружно-крихкі	пружно-пластичні	сильно пластичні і дуже пористі

 

Таблиця 3.5 – Класифікація гірських порід за модулем Юнга

Категорія
Модуль Юнга, МПа	<2500	-	-	-	-	-	-	>100000

Характерні особливості роботи

1. Штамп почергово втискують у зразки порід трьох класів.

2. При втискуванні штампу в породу І класу відлік по індикатору беруть без витримки навантаження, оскільки в пружній області величина деформації для кожної ступені навантаження встановлюється відразу і з часом не змінюється. Навантаження збільшують до моменту загального руйнування під штампом, що можна визначити як візуально, так і за різким падінням тиску на манометрі.

3. При втискуванні штампу в породу ІІ класу навантаження збільшують також ступенями, але при переході в пластичну область треба досягати повної деформації при кожному ступені навантаження. В цій області через пластичні деформації навантаження частково зменшується, і його необхідно постійно підтримувати на одному рівні до моменту, поки не буде досягнута пластична деформація, яка відповідає цьому ступеню навантаження. При певному граничному навантаженні відбувається загальне руйнування під штампом, яке також фіксується за падінням тиску на манометрі.

4. При втискуванні штампу в породу, яка не дає крихкого руйнування (ІІІ клас), випробовування проводять аналогічно, як і для породи ІІ класу. При втискуванні в ці породи загального руйнування під штампом не відбувається, тому глибину втискування штампу приймають рівною його діаметру.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Від чого залежить діаметр штампу для випробування?

2. Як вплине на результати випробування недостатньо чиста обробка поверхні зразка?

3. Чи впливають розміри зразка на результати випробування?

4. В чому умовність поняття “коефіцієнт пластичності”?

5. Чи може коефіцієнт пластичності бути меншим за одиницю?

6. Чому для розрахунку А_{п р} беруть площу S_OЕGO, а не S_OADO?

7. Чим відрізняються і чим подібні твердість і межа пружності?

9. Як оцінюється твердість гірських порід ІІІ класу?

10. Чи може порода з більшою твердістю потребувати менших енергетичних витрат на руйнування, ніж порода з меншою твердістю?

11. Як визначити об’ємну енергоємність руйнування порід ІІІ класу?

12. Втискування припиняється при навантаженні Р, більшому, ніж Р₀ і меншому, ніж Р_р. Показати на графіку загальну h_заг, пружну h_пр і залишкову h_{за л} деформації.

13. Зобразити в координатах “навантаження – деформація” результати випробування двох гірських порід за умови:

а ) Р_шт1=Р_шт2,, h_заг1=2h_заг2, Р_о1= Р_о2;

б ) Р_шт1=2Р_шт2, Е₁=Е₂, h_заг1=h_заг2 ;

в ) Е₁=2Е_2, h_пр1=h_пр2, h_заг1=h_заг2, Р_о1= Р_о2 ;

г ) Р_шт1=Р_шт2, Е₁=Е₂, h_заг1=h_заг2 , к_пл1 > к_пл.

 

Лабораторна робота №4

ВИЗНАЧЕННЯ АБРАЗИВНОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД

Мета роботи: Вивчення методики і набуття практичних навиків визначення абразивності гірських порід за методикою ІГД ім. А. А. Скочинського.

Теоретичні відомості

Здатність гірської породи зношувати породоруйнівний інструмент, що знаходиться в контакті з породою і переміщується відносно неї називається абразивністю.

Серед багатьох існуючих методів визначення абразивності [1, 3, 4] метод ІГД ім. А.А. Скочинського відрізняється тим, що не потребує застосування складного обладнання і дає змогу з достатньою, для практики, точністю встановити абразивні властивості досліджуваних порід. Це зумовило його широке розповсюдження. Суть методу полягає в тому, що досліджуваний зразок породи “свердлиться ” еталонним стержнем при строго заданому режимі: навантаження, частота обертання і час “свердління”. Мірою абразивності породи є ваговий знос еталонного стержня.

Абразивність а визначається, як середня втрата ваги стержня при свердлінні одним кінцем:

(4.1)

де n – кількість стержнів.

Породу, котру випробували, зараховують до тої чи іншої категорії абразивності у відповідності з приведеною класифікацією (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1 − Класифікація гірських порід за абразивністю

Категорія	Абразивність, мг	Категорія	Абразивність, мг
	< 5 5-10 10-18 18-30		30-45 45-65 65-90 > 90

Прилади і матеріали для проведення роботи

Лабораторна установка, еталонні стержні, електронна вага, штангенциркуль, металева лінійка, взірець гірської породи.

 

Опис приладів для проведення дослідів

Лабораторну установку, створену на базі настільного свердлильного верстата (рис. 4.1).), використовують для обертання стержня, виготовленого із м’якої сталі – “сріблянки”.

Зразок 1 закріплюють в спеціальному пристрої 2. Еталонний стержень 3 кріпиться в затискному патроні 4. Навантаження на стержень створює вантаж 5.

Випробування виконується при таких режимних параметрах:

– навантаження на еталонний стержень 150 Н (маса вантажу 15 кг);

– частота обертання шпинделя 400 об/хв;

– час “свердління” одним кінцем стержня – 10 хв.

Примітка: “свердління” виконується двома кінцями стержня.

Перед початком випробувань перевіряють еталонний стержень, котрий повинен мати плоскі торці, перпендикулярні поздовжній осі. На торцях не повинно бути фасок, задирок, що має особливе значення, бо може призвести до спотворення результатів дослідження. Упевнитися в тому, що торці мають плоску форму можна, приклавши до них ребро лінійки. При виконанні цієї вимоги по всьому контакту лінійки з торцем відсутні просвіти.

Рисунок 4.2 – Еталонний стержень

Перпендикулярність торців поздовжньої осі перевіряється або з допомогою слюсарного трикутника, або шляхом встановлення стержня на рівній поверхні (наприклад, на склі). Необхідно також упевнитися в чистоті стержня, особливо всередині висвердленого заглиблення.

Слід також пам’ятати, що за цією методикою свердлять необроблену поверхню зразка.

Порядок виконання роботи

1. Еталонний стержень зважують на аналітичній вазі в грамах з точністю до 4-го знаку і закріплюють в затискному патроні.

2. Закріплюють зразок породи так, щоб поверхня контакту з торцем стержня була горизонтальною.

3. Перевіряють, а при необхідності регулюють положення шпинделя відносно зразка по висоті. Після встановлення стержня на поверхню зразка запас вільного ходу шпинделя вниз повинен бути не меншим за 15–20 мм.

4. Вибирають на поверхні зразка місце для випробування і роблять пробне встановлення стержня: стержень повинен контактувати з породою всією поверхнею торця.

5. Піднімають стержень, вмикають прилад і опускають стержень на зразок, одночасно ввімкнувши секундомір. Це треба робити швидко, але і без удару.

6. Через десять хвилин піднімають шпиндель і одночасно вимикають секундомір.

7. Вимикають установку і переставляють стержень в патроні другим кінцем, після чого випробування повторюють. (Слід пам’ятати, що стержень від тертя нагрівається).

8. По закінченні свердління стержень ретельно очищують і зважують.

9. Результати заносять в таблицю 4.1, після чого виконують статистичну обробку даних. Кількість одиничних дослідів залежить від розсіювання даних і складає приблизно 3–5.

Таблиця 4.1 – Результати експериментів

№ п/п	Початкова маса стержня, г	Кінцева маса стержня, г	Втрата маси DG, г

 

Виконуючи роботу, слід дотримуватися таких правил техніки безпеки:

1. Перед початком роботи перевіряють надійність заземлення установки.

2. Виконання роботи починають лише з дозволу викладача.

3. Вмикають установку тільки у випадку, що ніхто не контактує з тими частинами установки, котрі обертаються.

4. Під час роботи установки неможна нахилятися над зразком.

5. Забороняється залишати працюючу установку без нагляду.

6. Після виконання роботи необхідно, перш ніж забирати еталонний стержень, переконатися, що він не спричинить опіків.

8. Після закінчення роботи виключити загальний рубильник.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як зміняться результати досліду, якщо торці еталонного стержня будуть не плоскими, а випуклими або ввігнутими?

2. Який стержень зноситься швидше: з випуклим торцем чи з ввігнутим?

3. Як вплине на результати досліду те, що торець не перпендикулярний до поздовжньої осі стержня?

4. Який розмір еталонного стержня важливіший: його довжина чи діаметр?

5. Чому за цією методикою еталонний стержень не виготовляють з твердого сплаву, яким армують бурові долота?

6. Як потрібно змінити режим “свердління”, якщо фактична частота обертання шпинделя 410 об/хв?

7. Чи можна за цією методикою використовувати установку, частота обертання якої 800 об/хв?

8. Як зміняться результати дослідів, якщо в процесі їх проведення еталонний стержень омивати безперервним струменем води?

9. Як зміняться результати досліду, якщо на контакті еталонного стержня з породою виявиться невелика кількість машинного масла?

10. Який пісковик має більшу абразивність: грубо - чи дрібнозернистий?

 

Лабораторна робота №5

ВИМІРЮВАННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ

ПРОМИВАЛЬНИХ РІДИН

Мета роботи: засвоїти методику вимірюваньосновних параметрів промивальних рідин.

5.1 Вимірювання густини бурового розчину

Теоретичні відомості

Густина бурового розчину - це маса (т) одиниці його об’єму (V) , [кг / м³].

Густина бурового розчину характеризує його здатність виконувати у свердловині певні гідростатичні та гідродинамічні функції:

– утримувати у змуленому стані і виносити із свердловини частинки вибуреної породи;

– створювати гідростатичний тиск на стінки свердловини з метою попередження нафтогазопроявів і збереження цілісності стінок свердловини;

– зменшувати вагу колони бурильних та обсадних труб;

– сприяти оптимальній роботі породоруйнуючих інструментів.

Залежно від характеру технологічних операцій при бурінні свердловин вимоги до густини є різними. Так, для забезпечення оптимальної роботи долота, зменшення імовірності поглинання бурового розчину густина його повинна бути мінімальна.

Сучасна технологія буріння свердловин передбачає вибір густини бурового розчину з умови запобігання флюїдо-проявів, осипань та обвалювань гірських порід, що розбурю-ються. Для вибору величини густини, визначальними є пластовий тиск флюїдів, тиск поглинання бурових розчинів і тиск гідророзриву гірських порід. Тиск в свердловині повинен бути достатній, щоб запобігти некерованому припливу в неї пластових флюїдів, але не більший за тиск, який спричиняє поглинання бурового розчину чи гідророзрив гірських порід. При бурінні тиск у свердловині контролюється шляхом вимірювання густини бурового розчину. Розрізняють істинну та уявну густину. Густина бурового розчину без газу називається істинною або дійсною, а густина бурового розчину, який містить газовий компонент – уявною. Для вимірювання густини бурового розчину використовують переважно ареометри та важільні ваги, рідко пікнометри.

Прилади і матеріали для проведення роботи

Аерометр АГ-ЗПП та відро з водою, буровий розчин.

Опис приладів для проведення дослідів

Бурові підприємства споряджені ареометрами АГ-1, АГ-2 і АГ-ЗПП. За своєю конструкцією вони подібні, але прилад АГ-ЗПП має точнішу ціну поділок та шкалу поправок, тому подається будова і робота ареометра АГ-ЗПП. як сучаснішого. Аерометр АГ-ЗПП (рис. 5.1) складається зі стакана 2 постійного об’єму, який заповнюється буровим розчином і прикріплюється до поплавка 3. На поверхні циліндричної частини поплавка 4, герметизованої корком 6, нанесено дві шкали 7 для вимірювання густини в межах 900-1700 і 1600-2400 кг/м³. Другою шкалою користуються при знятому вантажі 1. У випадку застосування мінералізованої води використовується додаткова шкала для врахування похибки. Прилад зберігають у футлярі-відрі 5, що закривається кришкою 3, якою відбирають пробу бурового розчину. Ціна однієї поділки шкали аерометра 20 кг/м (0,02 г/см³). Слід зазначити, що на шкалі ареометра нанесені значення питомої ваги в г/см³. При таких одиницях вимірювання значення питомої ваги і густина БР співпадають, тобто 1 г/см³ = 1 г/см³ = 1000 кг/м³.

Перевірка приладу в лабораторних умовах повинна виконуватися перед кожним циклом замірів, на бурових – не менше ніж один раз в місяць. Послідовність перевірки приладу:

1 Встановити стакан у вертикальне положення і наповнити його водою по вінця.

2 З’єднати поплавок зі стаканом.

3 Занурити поплавок зі стаканом у відро з водою. При застосуванні прісної води ареометр повинен зануритися під рівень води у відрі до поділки на шкалі, яка відповідає густині 1000 кг/м³ (1 г/см³) з точністю 20 кг/м³ (0.02 г/см³). При густині води, більшій за 1000 кг/м³ (1 г/см³), поплавок опуститься вище поділки 1000 кг/м³. В цьому випадку необхідно від результату виміру відняти поправку.

Якщо густина води буде менша ніж 1000 кг/м³, то поплавок зануриться у воду нижче поділки 1 г/см³. У цьому випадку поправку слід додати до результату виміру. У циліндричній частині поплавка 4 знаходяться дробинки для тарування ареометра. Якщо густина прісної води менша ніж 1000 кг/м³, дробинки додаються у поплавок, а якщо більше ніж 1000 кг/м³, дробинки вилучаються.

Порядок виконання роботи

1 Відібрати кришкою відра пробу бурового (тампонажного) розчину і перемішати її.

2 Від’єднати стакан від поплавка і заповнити його розчином по вінця.

3 Не змінюючи положення стакана приєднати до нього поплавок і змити витіснений залишок розчину водою.

4 Опустити ареометр у відро з водою і по меніску води відраховувати величину густини, використовуючи ліву шкалу. Якщо ареометр занурився повністю, відгвинтити вантаж і по правій шкалі відрахувати величину густини розчину.

5 Вимірювання повторити не менше 3 разів.

6 Розібрати ареометр, вимити залишок розчину з кришки, промити водою і витерти ареометр, відро і кришку.

Таблиця 5.1 – Результати вимірювання густини розчину

№ п/п	Параметр розчину	Одиниці вимірювання	Виміри 1,2,3	Середнє значення
	густина	кг/м3
…	“-“
n	“-“

Для визначення істинної густини розчину, який має газоподібні компоненти, використовується така формула:

, кг/м³, (5.1)

де – істинна густина, кг/м³ (г/см³);

– уявна густина, кг/м³ (г/см³);

- об’єм газів, м³.

5.2 Вимірювання умовної в’язкості бурового розчину

Теоретичні відомості

Всі рідини мають властивість текти. Бурові промивальні рідини у більшості випадків відрізняються від ньютонівських рідин. Істинна в’язкість промивальних рідин залежить від швидкості руху. Вимірювання істинної в’язкості бурового розчину на бурових і в лабораторіях пов’язане з певними труднощами, а тому на бурових підприємствах вимірюється умовна в’язкість за допомогою віскозиметра ВП-5. Умовна в’язкість – це непряма характеристика гідравлічного опору прокачування бурового розчину, яка визначається часом витікання конкретного об’єму бурового розчину з віскозиметра. Для приладу ВП-5 під умовною в’язкістю розуміють тривалість витікання 500 см³ із залитих 700 см³ ретельно перемішаного бурового розчину через калібровану трубку з внутрішнім діаметром 5 мм і довжиною 100 мм.

Прилади і матеріали для проведення роботи

Віскозиметр ВП-5, сито, стакан, секундомір, буровий розчин.

Опис приладів для проведення дослідів

Прилад ВП-5 за своєю будовою подібний на лійку Марша, якою виміряють емпіричне значення консистенції бурового розчину. Це час витікання (в секундах) однієї кварти (0,946 л) розчину. Лійкою Марша користуються буровики зарубіжних країн. Час витікання прісної води з лійки Марша при температурі 22±2 °С становить 26±0,5с. Віскозиметр ВП-5 (рис. 5.2) це є конус 2 з трубкою, внутрішній діаметр якої 5±0,1 мм. До конуса додається сітка 3 і стакан 4 об’ємом 700 см³. Стакан розділений на дві частини об’ємом 200 і 500 см³. Перевірка приладу в лабораторних умовах повинна виконуватися перед кожним циклом замірів, на бурових – не менше ніж один раз в місяць.

Послідовність перевірки приладу:

1 Конус попередньо змочити водою (при використанні розчину на вуглеводневій основі змочування виконують дизельним паливом).

2 Перевірити віскозиметр ВП-5 шляхом вимірювання умовної в’язкості прісної (водопровідної) води. Віскозиметр буде придатний до роботи, якщо умовна в’язкість води становитиме 15±0,5 с.

Порядок виконання роботи

1 У конус, встановлений вертикально, через сітку налити 700 см³ бурового розчину, попередньо закривши отвір трубки пальцем.

2 Відкрити отвір трубки і одночасно включити секундомір.

3 Виміряти час наповнення частини стакану об’ємом 500 см³. Цей час і є умовною в’язкістю бурового розчину. У випадку, якщо для визначення умовної в’язкості недостатня кількість бурового розчину, то виконати вимірювання витікання 100 см³ розчину при залитих 200 см³, а результат помножити на 4.

4 Вимірювання повторити три рази.

5 Результати записати в таблицю 5.2.

6 За результатами встановити похибку у значенні умовної в’язкості при витіканні 100 см³ бурового розчину

(5.2)

7 Промити конус і чашку, витерти їх насухо.

 

Таблиця 5.2 – Результати вимірювання умовної в’язкості бурового розчину

.№ п/п	Показник бурового розчину	Одиниці вимірювання	Час витікання 500см3 бурового розчину	Середнє значення	Час витікання 100см3 бурового розчину	Середнє значення
	Умовна в'язкість

5.3 Вимірювання статичного напруження зсуву бурового розчину

Теоретичні відомості

Міцність сформованої суспензією тиксотропної структури у стані спокою та інтенсивність її зміцнення у часі характеризується статичним напруженням зсуву (СНЗ). Здатність суспензій утворювати у стані спокою структуру з певною міцністю і втрачати її при перемішуванні або при струшуванні називається тиксотропією.

Граничне СНЗ – це те мінімальне напруження зсуву, яке необхідно прикласти до бурового розчину, який знаходиться у стані спокою, щоб зруйнувати тиксотропну структуру і вивести його зі стану рівноваги (відновити текучість системи).

У стані спокою міцність тиксотропної структури зростає у часі асимптотичне, наближаючись до верхньої межі. Вона оцінюється двома значеннями СНЗ. які свідчать про здатність промивальної рідини виконувати певні функції. Початкове значення СНЗ заміряють через одну хвилину стану спокою промивальної рідини. Воно характеризує утримувальну здатність промивальної рідини. При виборі показників промивальної рідини обґрунтовується мінімальне значення при якому і буде забезпечене виконання вказаної функції. Тобто СНЗ за 1 хв. повинно бути достатнім для утримання в змуленому стані шламу після припинення циркуляції.

Друге значення СНЗ заміряють через 10 хвилин, як промивальна рідина була у стані спокою. Воно характеризує інтенсивність зміцнення тиксотропної структури у часі. Така тенденція поведінки бурового розчину має кілька негативних аспектів. Міцність структури при тривалому знаходженні у спокою може досягти таких значень, при яких у момент відновлення циркуляції опір структури буде причиною зростання тиску, який може бути більший за тиск гідророзриву пласта. Висока міцність структури суттєво погіршує просування геофізичних приладів у свердловині, що є однією з причин обриву геофізичного канату, або недоходження приладу до встановленої глибини. Також можливе часткове зменшення гідростатичного тиску у свердловині за рахунок утворення тиксотропної структури бурового розчину. Позитивний аспект високої міцності структури проявляється при попаданні високо тиксотропних промивальних рідин у тріщини горизонтів, де вони згущуються і сприяють уникненню поглинань. Тиксотропність структури характеризується коефіцієнтом тиксотропії, який можна визначити за формулою:

(5.3)

Статичне напруження зсуву можна визначити на приладах СНС-2 і ВСН-3.

Прилади і матеріали для проведення роботи

Прилад СНС-2, секундомір, буровий розчин.

Опис приладів для проведення дослідів

Прилад СНС-2 (рис. 5.3) складається з вимірювальної частини, стійки 3 і плити основи До вимірювальної частини відноситься циліндр 9, який підвішений на стійці за допомогою стальної нитки 5 і занурений в стакан 10 з буровим розчином. Для визначення кута повороту циліндра служить проградуйований на 360° лімб 7 з ціною ділення 1°. Диск жорстко з’єднаний через трубку 6 з циліндром 9. Для відліку ділення проти диску закріплений прозорий візир 8 з двома рисками. Стакан 10 встановлюється на обертовий столик, з’єднаний гнучкою передачею з редукторним електродвигуном 12, який обертає стакан зі швидкістю 0,2 об/хв. В комплект приладу входить набір 3-х пар пружних ниток (діаметр 0,3; 0,4; 0,5 мм), які рекомендується використовувати при різних діапазонах вимірювання.

Перевірка приладу в лабораторних умовах повинна виконуватися перед кожним циклом замірів, на бурових – не менше ніж один раз в місяць.

Послідовність перевірки приладу:

1 Встановити прилад на столі, де відсутні вібрації.

2 Підвісити циліндр за допомогою нитки до стійки.

3 Регулювальним гвинтом добитися концентричного розміщення циліндрів.

4 Встановити “нуль” шкали проти риски на візирі шляхом плавного повороту диска підйомної системи.

5 Зняти підвісну систему і покласти її на стіл.

6 Підключити прилад до електромережі і включити тумблер, перевірити роботу електродвигуна.

7 Взяти секундомір і покласти його біля приладу.

Порядок виконання роботи

1 Відібрати пробу бурового розчину та інтенсивно розмішати його.

2 Заповнити до половини стакан буровим розчином.

3 Опустити підвісний циліндр у стакан з розчином і підвісити його з допомогою нитки на стійці. При цьому необхідно добитися, щоб рівень розчину і верхнього краю циліндра співпадали.

4 Взяти в ліву руку секундомір, а правою обережно повернути підвісну систему вліво-вправо на 40-60°, переміщуючи розчин. Після перемішування розчину встановити “нуль” шкали проти риски на візирі і включити секундомір.

5 Через 1 хв. за допомогою тумблера включити електродвигун і спостерігати за обертанням шкали приладу. Після її зупинки виключити електродвигун, взяти відлік кута повороту шкали в градусах.

6 Поворотом підвісної системи, встановивши “нуль” шкали проти риски на візирі, повторити вимірювання 3 рази.

7 Повторити три рази вимірювання СНЗ після перебування бурового розчину у спокої протягом 10 хв.

8 Якщо покази приладу знаходяться в межах 10°, то необхідно встановити нитку з меншим діаметром і повторити виміри.

9 Якщо шкала приладу не зупинилася через 1 хвилину, що відповідає 72° повороту шкали необхідно встановити нитку з більшим діаметром і повторити виміри.

10 Відключити прилад від електромережі, промити циліндр, стакан і витерти їх насухо.

Оформлення результатів вимірювань

1 Записати значення кутів повороту шкали після перебування у стані спокою бурового розчину протягом 1 хв і 10 хвилин .

2 Визначити середнє арифметичне значення кутів повороту шкали