Составы и способы для завершений скважины. Модуль юнга цемента


Модуль упругости бетона на растяжение и сжатие

Данное понятие известно в основном специалистам. Для «самодеятельного» строителя, частного застройщика это словосочетание мало о чем говорит. Но долговечность той или иной постройки напрямую зависит от него.

Сам бетон является твердым материалом. И, тем не менее, под влиянием различных внешних сил он частично деформируется. Именно поэтому различают 2 показателя его прочности – на растяжение и на сжатие, хотя ориентируются в большей степени на последний. Следовательно, и модули упругости также должны быть соответственно рассчитаны на эти разносторонние воздействия.

Но на практике они принимаются равными и свидетельствуют о способности бетона временно деформироваться под воздействием повышенных нагрузок, при этом не подвергаясь необратимым изменениям – разрушению структуры, появлению трещин, сколов и тому подобное. Это особенно важно знать, когда конструкция подвергается различным прогибам (например, ж/б сооружения арочного типа, перекрытия). В отличие от многих других строительных материалов бетон под влиянием нагрузки (в известных пределах) действует как пружина.

Рассматриваемый показатель определяется экспериментальным путем на основе испытаний образцов материалов. Обозначается символом «E» и имеет второе название – «модуль Юнга». Различают начальный и приведенный модуль упругости (Eb и Eb1 соответственно). Для рядового пользователя все эти вычисления и используемые при этом формулы практического значения не имеют, так как во всех нюансах сможет разобраться только профильный специалист.

Нужно лишь знать, что оказывает влияние на данную характеристику материала, а также о существовании таблиц, которыми при необходимости можно воспользоваться.

От чего зависит модуль упругости

1. Непосредственное влияние оказывают характеристики наполнителя, причем эта зависимость – практически прямолинейная (если отобразить ее графически). Для легких бетонов значение модуля ниже, чем тот же показатель у «тяжелых» аналогов с крупными гранулами (щебня, гравия).

2. Класс бетона. Для определения существует специальная таблица. Частный застройщик на практике использует ограниченный ассортимент подобной продукции, поэтому нет смысла приводить ее в полном виде. Вот некоторые данные по прочности и модулю, из которых видно, что они имеют прямо пропорциональную зависимость, которая не изменяется при температурах до 230 0С. Следовательно, практически никогда.

  • В10 соответствует 19;
  • В 15 – 24;
  • В20 – 27,5;
  • В25 – 30;
  • В30 – 32,5.

Это позволяет «управлять» таким свойством материала, как упругость, причем для одной и той же марки продукции. Такая характеристика принимается во внимание в зависимости от того, какой элемент конструкции будет монтироваться. Например, слабо или сильно нагруженный, с какой периодичностью и длительностью будет действовать дополнительный вес.

3. Возраст бетона. Наблюдается тенденция увеличение численного показателя модуля упругости с течением времени. Поэтому при определении значения в конкретный период пользуются специальными таблицами, где отражены начальные показатели, которые умножаются на поправочные коэффициенты.

4. Технология обработки материалов. Есть разница, как отвердевал бетон – естественным путем, при термической обработке без использования закрытых камер или «прошел» через автоклав. 

5. Продолжительность воздействия нагрузки. Для определения данной величины начальный модуль упругости (взятый из таблицы), умножается на соответствующий коэффициент. Он равен 0,85 для бетонов мелкозернистых, легких (если заполнитель мелкий) и тяжелых. Для легких (с пористым заполнителем) и поризованных бетонов коэффициент равняется 0,7.

Перед тем, как рассмотреть иные факторы, влияющие на рассматриваемую характеристику, стоит остановиться на таком показателе, как ползучесть бетона. От нее зависит степень деформации материала. Дело в том, что при кратковременном воздействии (причем в определенных пределах) после снятия нагрузки материал принимает первоначальную форму.

Если воздействие не прекращается, то речь идет уже о пластичной деформации, которая, как правило, имеет необратимый характер. Не стоит вдаваться во все нюансы, так как порой разделить оба вида деформации крайне сложно. Достаточно указать, что пластичная (то есть дальнейшее изменение формы) вызывается «ползучестью» бетона. Она учитывается при длительном воздействии. Коэффициент ползучести обозначается символом «φb,cr»

6. Влажность воздуха. Существует зависимость между ней и φb,cr. Это также определяется по таблицам. Кроме того, учитываются и такие факторы, как температура и радиация (интенсивность излучения).

7. Наличие армирующего каркаса. Понятно, что металл деформируется под нагрузкой не в такой степени, как бетон.

Для тех читателей, которые захотят более глубоко вникнуть в этот вопрос, укажем Государственный Стандарт № 24452 от 1980 года, в котором описаны, в частности, и методы определения данной характеристики бетонов. 

aquagroup.ru

Составы и способы для завершений скважины

Изобретение касается способа регулирования свойств линейного теплового расширения цементного раствора при размещении в подземной скважине, имеющей по крайней мере одну обсадную трубу, путем введения в состав цементного раствора углеродистого материала для того, чтобы коэффициент линейного расширения раствора был выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал. Изобретение также относится к применению конкретных видов указанного углеродистого материала в составе цементного расширяющегося раствора. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - повышение адгезионных свойств полученной цементной оболочки к обсадной трубе и минимизация напряжения, возникающего в цементной оболочке. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 пр., 7 табл.

 

Уровень техники

[1] Утверждения в этом разделе только лишь предоставляют справочную информацию, относящуюся к настоящему изобретению, и могут не представлять известный уровень техники.

[2] Это изобретение относится к составам и способам обработки подземных пластов, в частности, к составам и способам для цементирования и завершения эксплуатационных скважин месторождения, разрабатываемого тепловыми методами.

[3] Часто в ходе строительства подземных скважин во время и после бурения необходимо в стволе скважины устанавливать полое изделие. Это полое изделие может содержать бурильную трубу, обсадную трубу, хвостовик, гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра или их комбинации. Полое изделие призвано выполнять функцию канала, через который желаемые жидкости из скважины могут поступать и быть собраны. Полое изделие обычно закрепляется в скважине цементной оболочкой. Цементная оболочка обеспечивает механическую поддержку и гидравлическую изоляцию между зонами или слоями, через которые скважина проходит. Последняя функция из двух названных имеет важное значение, поскольку она предотвращает гидравлическую связь между зонами, которая может привести к загрязнению. Например, цементная оболочка блокирует жидкости в нефтяных или газовых зонах от попадания в горизонт воды и загрязнения питьевой воды. Кроме того, для оптимизации эффективности добычи скважины может быть желательно изолировать, например, зону газодобычи от зоны нефтедобычи.

[4] Цементная оболочка обеспечивает гидравлическую изоляцию благодаря своей низкой проницаемости. Кроме того, для предотвращения утечек необходимо плотное сцепление между цементной оболочкой с одной стороны и полым изделием и стволом скважины с другой. Однако со временем у цементной оболочки могут ухудшиться эксплуатационные показатели, и она станет проницаемой. Кроме того, сцепление между цементной оболочкой и полым изделием или стволом скважины может быть нарушено. Основные причины ухудшения эксплуатационных показателей и нарушения сцепления включают физические напряжения, связанные с тектоническими сдвигами, температурные изменения и ухудшение химических свойств цемента.

[5] Разработка запасов сырой нефти часто включает применение тепла к продуктивному пласту. В таких эксплуатационных скважинах месторождения, разрабатываемого тепловыми методами, часто используется нагнетание пара в пласт. Нагнетание пара охватывает ряд способов, включая гравитационное дренирование с закачкой пара (SAGD), циклическую паровую стимуляцию добычи (CSS) и нагнетание пара в пласт. В ходе таких операций получающаяся температура в скважине может варьировать от 150°C до 700°C, что подвергает цементную оболочку особенно серьезным нагрузкам и может привести к повреждению цементной оболочки, образованию микрозазоров или и к первому, и ко второму. Действительно, у значительного процента эксплуатационных скважин месторождения, разрабатываемого тепловыми методами, присутствуют различные виды утечек, включая полный прорыв пара к поверхности.

[6] Для решения проблем ухудшения состояния цементной оболочки выдвигалось несколько предложений. Один подход заключается в проектировании такой цементной оболочки, которая бы механически выдерживала физические напряжения, которые могут возникнуть во время ее срока службы (патент США 6296057). Другой подход - использовать добавки, улучшающие физические свойства схватившегося цемента. В патенте 6458198 описывается добавление волокон аморфного металла для повышения прочности и сопротивления ударной нагрузке. В EP 1129047 и WO 00/37387 описывается добавление упругих материалов (резины или полимеров) для придания цементной оболочке некоторой степени упругости. В WO 01/70646 описываются цементные составы, имеющие такую рецептуру, что они менее чувствительны к колебаниям температуры во время процесса схватывания цемента. Однако эти решения не являются достаточно эффективными применительно к эксплуатационным скважинам месторождения, разрабатываемого тепловыми способами. Эти решения могут быть недостаточными для возникающих напряжений, активный материал может быть неустойчивым при таких высоких температурах, или может быть и первое, и второе.

[7] Таким образом, несмотря на ценный вклад известного уровня техники, по-прежнему остается потребность в улучшении цементных составов, которые могут лучше выдерживать тепловые и механические напряжения, связанные с эксплуатационными скважинами месторождения, разрабатываемого тепловыми способами.

Сущность изобретения

[8] Настоящее изобретение вносит улучшения, предоставляя цементные составы, которые, когда схватятся, имеют коэффициенты линейного теплового расширения, совершенно равные коэффициентам линейного теплового расширения обсадной трубы в подземной скважине. Когда цементная оболочка и обсадная труба при прикладывании тепла к скважине расширяются совершенно аналогично, то напряжения, получающиеся на цементной оболочке и на сцеплении цемента с обсадной трубой, минимизированы, что помогает сохранить изоляцию по зонам в скважине.

[9] В одном из аспектов варианты воплощения изобретения относятся к способам регулирования свойств теплового расширения цементного состава при его размещении в подземной скважине.

[10] В еще одном аспекте варианты воплощения изобретения относятся к способам управления тепловыми и механическими напряжениями в цементной оболочке в подземной скважине.

[11] В еще одном аспекте варианты воплощения изобретения нацелены на использование по меньшей мере одного углеродистого материала для регулирования свойств теплового расширения схватившегося цемента, размещаемого в подземной скважине.

Краткое описание чертежей

[12] На фиг.1 представлены два графика, показывающие, как максимальные напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке изменяются в зависимости от коэффициента линейного теплового расширения схватившегося цемента, когда температура в скважине линейно увеличивается с 10° до 250°C.

[13] На фиг.2 представлены два графика, показывающие, как максимальные напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке изменяются в зависимости от коэффициента линейного теплового расширения схватившегося цемента, когда температура в скважине линейно увеличивается с 10° до 700°C.

[14] На фиг.3 приведен график, показывающий, как образование микрозазоров между обсадной трубой и схватившимся цементом зависит от модуля Юнга пласта и цементной оболочки.

[15] На фиг.4 приведен график, показывающий, как на образование микрозазоров между обсадной трубой и схватившимся цементом влияет коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента и модуль Юнга пласта и цементной оболочки.

Подробное описание

[16] Изобретение может быть описано с точки зрения обработки вертикальных скважин, но в равной мере применимо к скважинам любой ориентации. Изобретение может быть описано для скважин по добыче углеводородов, но следует понимать, что изобретение может использоваться и для скважин по добыче других текучих сред, таких как вода или двуокись углерода, или, например, для нагнетательных скважин или скважин-хранилищ. Следует также понимать, что в этой спецификации, когда пределы концентрации или количества описаны как полезные или подходящие или тому подобные, предполагается, что любая и каждая концентрация или количество в этих пределах, включая конечные точки, будет рассматриваться, как сформулировано. Более того, каждое числовое значение следует читать первый раз, подразумевая рядом с ним слово «около» (кроме случаев, когда это слово уже непосредственно присутствует), и затем читать снова без него, если иное не указано в контексте. Например, «диапазон в пределах от 1 до 10» следует рассматривать как указание на каждое возможное число в непрерывном отрезке между около 1 и около 10. Другими словами, когда устанавливается определенный диапазон, даже если только несколько конкретных точек данных явно определены или упомянуты в пределах этого диапазона или даже когда никакие точки данных не упомянуты в пределах диапазона, следует понимать, что изобретатели признают и подразумевают, что все и любые точки данных в пределах диапазона следует рассматривать как указанные и что изобретатели имеют в виду весь диапазон и все точки в пределах данного диапазона.

[17] Большинство материалов расширяется, когда они нагреваются, поскольку с повышением температуры расстояние между атомами также увеличивается. Тепловое расширение может быть выражено различными способами. Коэффициент линейного теплового расширения описывает конкретное линейное удлинение материала на единицу значения температуры при постоянном давлении. Коэффициент ареального теплового расширения относится к изменению в размерах площади материала в зависимости от температуры. Коэффициент объемного теплового расширения описывает изменение объема материала на единицу значения температуры. Для материалов, обладающих абсолютно одинаковыми свойствами во всех направлениях, коэффициент объемного теплового расширения равняется троекратному коэффициенту линейного теплового расширения.

[18] Типичный коэффициент линейного теплового расширения для обычного схватившегося портландцемента равняется около 8·10-6/°C, тогда как типичный коэффициент линейного теплового расширения для углеродистой стали равняется около 13·10-6/°C. Таким образом, когда цементная оболочка вокруг стальной обсадной трубы подвергается тепловой нагрузке, размеры цемента и обсадной трубы будут изменяться и расходиться относительно друг друга. В присутствии тепловых нагрузок, связанных с эксплуатационными скважинами месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, это расхождение в размерах может вызвать значительные механические напряжения в цементной оболочке, приводя к образованию микрозазора, повреждению цементной оболочки в режимах и растяжения, и сжатия или в них обоих. Настоящее изобретение минимизирует вышеупомянутые напряжения, предоставляя схватившиеся цементы, коэффициенты линейного теплового расширения которых более совместимы с коэффициентами линейного теплового расширения обсадной трубы.

[19] Влияние коэффициентов линейного теплового расширения на напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке показано на фиг.1 и 2. При моделировании были рассмотрены два цементных состава с различными модулями Юнга. Свойства обсадной трубы и пласта приведены в таблице 1. Напряжения были рассчитаны для двух сценариев: один, во время которого обсадная труба нагревалась по линейному закону с 10° до 250°C; другой - с линейным нагревом обсадной трубы с 10° до 700°C. Период времени для обоих сценариев был 3 дня.

Таблица 1Свойства пласта и обсадной трубы при моделированиях напряжений, представленных на фиг.1 и 2. На фиг.1 и 2 показано уменьшение напряжения при сжатии и растяжении для обеих цементных систем, когда коэффициент линейного теплового расширения породы достигает коэффициента линейного теплового расширения стали - 13·10-6/°C
Свойства пласта
Плотность 2300 кг/м3
Модуль Юнга 4000 и 9000 МПа
Коэффициент Пуассона 0,425
Теплопроводность 1,83 Вт/(м·K)
Удельная теплоемкость 710 Дж/(кг·K)
Коэффициент линейного теплового расширения 13·10-6/C
Необсаженный ствол скважины 400,0 мм
Внутренняя обсадная труба
Наименование материала Сталь
Плотность 8000 кг/м3
Внешний диаметр обсадной трубы 298,45 мм
Внутренний диаметр обсадной трубы 273,61 мм
Зазор между обсадной трубой и стенкой ствола 80%
Модуль Юнга 200000 МПа
Коэффициент Пуассона 0,27
Вес 89,29 кг/м
Теплопроводность 15 Вт/(м·K)
Удельная теплоемкость 500 Дж/(кг·K)
Коэффициент линейного теплового расширения 13·10-6/°C

[20] На фиг.1 и 2 также показано, что напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке остаются низкими, когда коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента превышает коэффициент линейного теплового расширения стальной обсадной трубы. Действительно, как показано на фиг.3 и 4, коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента может быть значительно выше, чем у обсадной трубы до возникновения разрушительных последствий в виде микрозазоров.

[21] Определенные свойства обсадной трубы, цемента и пласта приведены в таблице 2. Все остальные параметры являются такими же, как описаны в таблице 1.

Таблица 2Свойства пласта, цемента и обсадной трубы при моделированиях напряжений, представленных на фиг.2 и 3
Необсаженный ствол скважины 216 мм (8,5 дюйма) Пласт
Коэффициент Пуассона 0,3
Обсадная труба 178 мм (7,0 дюймов), 38,7 кг/м Модуль Юнга изменяемый
Коэффициент линейного теплового расширения 13·10-6/°C Цемент
Зазор между обсадной трубой и стенкой ствола 100% Коэффициент Пуассона 0,15
Модуль Юнга 4500 или 8500 МПа
Возрастание температуры от 20° до 260°C за 4 часа

[22] На фиг.3 показана зависимость ширины микрозазора от модуля Юнга породы. Коэффициент линейного теплового расширения значительно выше, чем у стальной обсадной трубы - 50·10-6/°C. Были рассмотрены модули Юнга двух цементов - 4500 МПа и 8500 МПа. Результаты показывают, что, поскольку модуль Юнга породы больше, чем около 33% модуля Юнга цемента, никаких микрозазоров возникать не будет.

[23] На фиг.4 приведена зависимость ширины микрозазора от коэффициента линейного теплового расширения цемента. Рассмотрены три состояния модулей Юнга при различных модулях Юнга цемента и породы. Результаты показывают, что ширина микрозазора является функцией не только коэффициента теплового расширения цемента, но также и соотношения между модулями Юнга цемента и породы. Результаты показывают, что тепловое расширение цемента в 20·10-6/°C является верхним пределом, выше которого существует риск образования микрозазора, если между модулями Юнга цемента и породы имеется большая разница (например, в 8 или 9 раз).

[24] Было обнаружено, что свойства теплового расширения цементной системы можно регулировать путем включения в состав жидкого бетона по меньшей мере одного углеродистого материала. Предпочтительные углеродистые материалы включают (но не ограничиваются только этим) один или более материал из списка, содержащего кокс, полученный процессом коксования в псевдоожиженном слое, замедленный кокс, прокаленный кокс, битум, древесный уголь, уголь, антрацит, графит, чешуйчатый кокс, аморфный смолистый кокс, смоляной кокс, анодный кокс, доменный кокс, аморфный графит, лигнит, битуминозный уголь, подбитуминозный уголь, экзинит, витринит, интертинит, тонкий колит, активированный уголь и гильсонит. Замедленный кокс может быть в одном или более видов, в том числе (но не ограничиваясь этим) дробовой, губчатый, игольчатый, лабиринтный, кальцинированный и зеленый. Еще более предпочтительные углеродистые материалы выбираются из списка, состоящего из кокса, колита или угля и их смесей. Наиболее предпочтительным используемым углеродистым соединением является кокс.

[25] Варианты воплощения изобретения относятся к способам регулирования свойств теплового расширения цементной системы для размещения в подземной скважине, имеющей по меньшей мере одну обсадную трубу. Этот способ включает наличие в цементной системе такого углеродистого материала, что коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента будет выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистого материала. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10-6/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 20·10-6/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 17·10-6/°C.

[26] Дальнейшие варианты воплощения изобретения относятся к способам управления тепловыми и механическими напряжениями в цементной оболочке в подземной скважине. Этот способ включает установку по меньшей мере одной обсадной трубы в скважину, коэффициент линейного теплового расширения которой известен. Цементный раствор, содержащий по меньшей мере один углеродистый материал, составляется таким образом, что после схватывания он имеет коэффициент линейного теплового расширения выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10-6/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 20·10-6/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 17·10-6/°C. Цементный раствор закачивается и размещается в скважине рядом с обсадной трубой, где и происходит его схватывание. Специалистам в данной области понятно, что во всем диапазоне температур во время размещения в скважине закачиваемого цементного раствора его вязкость предпочтительно ниже около 1000 мПа·с при скорости сдвига в 100 с-1.

[27] Дальнейшие варианты воплощения изобретения нацелены на использование по меньшей мере одного углеродистого материала для регулирования свойств линейного теплового расширения схватившегося цемента, размещенного в подземной скважине, имеющей по меньшей мере одну обсадную трубу. Включение углеродистого материала позволяет регулировать тепловые и механические напряжения, оказываемые на цементную оболочку в скважине. Цементный раствор составлен таким образом, что после схватывания он имеет коэффициент линейного теплового расширения выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10-6/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 20·10-6/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10-6/°C до 17·10-6/°C.

[28] Для всех аспектов данного изобретения предпочтительная концентрация углеродистого материала может находиться в пределах от около 10% до около 60% по весу цемента, более предпочтительная - от около 11% до 50% по весу цемента, еще более предпочтительная - от 15% до 40% по весу цемента. Размер частиц углеродистого материала может находиться в пределах от около 1 мкм до 1200 мкм, предпочтительно - от 40 мкм до 1000 мкм и еще более предпочтительно - от около 90 мкм до 800 мкм.

[29] Для всех аспектов данного изобретения цемент может содержать один или более материалов из списка, включающего портландцемент, кальциево-алюминатный цемент, летучую золу, доменный шлак, смеси известкового кремнезема, геополимеры, магнезиальный цемент, химически связанную фосфатную керамику, цементную пыль и цеолиты. В предпочтительном варианте воплощения цемент - это портландцемент.

[30] Скважина может быть эксплуатационной скважиной месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, а предпочтительная температура в скважине должна находиться в пределах от 15°C до 700°C. Если цементный раствор содержит портландцемент, то для предотвращения ослабления прочности при высоких температурах, связанных с эксплуатационной скважиной месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, может быть добавлен кремний. В зависимости от конечной температуры концентрация кремния может быть отрегулирована таким образом, чтобы соотношение оксида кальция к диоксиду кремния (CaO/SiO2) находилось в пределах между около 0,6 и 1,2. Подобные составы могут способствовать образованию эффективных минералов гидросиликата кальция, таких как ксонотлит и трускотит. При данных обстоятельствах концентрация кремния в цементном растворе может находиться в пределах от около 20% до 60% по весу цемента, а предпочтительно - от около 25% до 45% по весу цемента. Размер частиц кремния может быть от 0,1 мкм до 200 мкм, предпочтительно - от 1 мкм до 80 мкм, еще более предпочтительно - от 2 мкм до 80 мкм. В предпочтительной версии используемый кремний - это кварцевый песок.

[31] Кроме того, цементный раствор может содержать один или более компонентов из списка, включающего добавки-ускорители схватывания цемента, добавки-замедлители схватывания цемента, диспергаторы, добавки для снижения водоотдачи, модифицирующие агенты для снижения удельного веса цемента, разбухающие материалы, кремнистый туф, волокна и антивспениватели. Плотность раствора цемента может быть отрегулирована путем добавления модифицирующих агентов для снижения удельного веса цемента или утяжелителей, которые включают (но не ограничиваются только этим) стеклянные микросферы, компоненты композитных микросфер (таких как описаны в патенте США 7767629), керамические микросферы, красный железняк (гематит), титанистый железняк (ильменит), барит, песок, кремний и тетраоксид марганца. Плотность цементного раствора, используемого в различных вариантах воплощения, описанных выше, предпочтительна от 1100 кг/м3 до 2300 кг/м3, более предпочтительна - от 1400 кг/м3 до 1900 кг/м3 и еще более предпочтительна - от 1500 кг/м3 до 1850 кг/м3.

ПРИМЕРЫ

[32] Следующие примеры не являются ограничивающими и служат для дополнительной иллюстрации изобретения.

Пример 1

[33] Изучено влияние различных углеродистых материалов на свойства линейного теплового расширения схватившегося цемента. Составы цементного раствора приведены в таблице 3.

Таблица 3Составы цементных растворов, содержащие различные углеродистые материалы
Раствор № 1 2 3 4 5
Плотность раствора (кг/м3) 1900 1833 1660 1650 1780
Класс G 100 100 100 100 100
Молотый песок (% по весу сухого цемента) - 40 35 35 35
Углеродистый материал (% по весу сухого цемента) Кокс - - 42 - -
Уголь - - - 40 -
Антрацит - - - - 56

[34] Концентрации по весу углеродистых материалов были выбраны так, чтобы их соответствующие объемные концентрации в цементном растворе равнялись 20%. Доли объема твердой фазы растворов также были равны 49%. Используемый кокс был замедленным нефтяным коксом, имеющим средний размер частиц приблизительно 90 мкм; угольный материал был тонким колитом, имеющим средний размер частиц около 200 мкм; антрацит имел средний размер частиц около 180 мкм. Цементные растворы были подготовлены и обработаны стандартными способами, представленными в следующей публикации: «Нефтегазодобывающая промышленность - цементы и материалы для цементирования скважин - часть 2: испытание скважинных цементов», Международная организация по стандартам, публикация № 10426-2. После подготовки цементные растворы были залиты в формы со следующими габаритными размерами: 30 мм × 30 мм × 120 мм. Формы затем помещались в камеры тепловлажностной обработки бетона на одну неделю при температуре от 35° до 65°C и давлении 13,7 МПа.

[35] Затем коэффициенты линейного теплового расширения цементных систем замерялись с помощью механического дилатометрического способа. Способ и прибор описаны в следующей публикации: Даргауд Б. и Боукелифа Л.: «Лабораторное испытание, оценка и анализ скважинных цементов» в Нельсон Э.Б. и Гийо Д. (ред.): Цементирование скважин (2 издание) Шлумбергер, Хьюстон, США (2006) 627-658. Температура образца схватившегося цемента увеличивалась с 20 до 80°C. Нагрев выполнялся с приращениями в 10°C. Продолжительность каждого приращения нагрева составляла один час. После каждого приращения нагрева температура образца удерживалась постоянной в течение 3 часов. Давление было давлением окружающей среды. Результаты, представленные в таблице 4, показывают, что различные углеродистые материалы эффективно увеличивают коэффициент линейного теплового расширения по сравнению с контрольным раствором (раствор № 1).

Таблица 4Коэффициенты линейного теплового расширения для схватившихся цементов, содержащих различные углеродистые материалы
Раствор № 1 2 3 4 5
Коэффициент линейного теплового расширения(·10-6/°C) 9 10 13 13,5 11

Пример 2

[36] После описания опыта, приведенного в примере 1, было исследовано влияние концентрации углеродистых материалов на коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента. В этом примере углеродистый материал был замедленным коксом, а составы цементного раствора представлены в таблице 5. Результаты, представленные в таблице 6, показывают, что коэффициент линейного теплового расширения увеличивается с концентрацией кокса.

Таблица 5Составы цементных растворов, содержащие различные концентрации кокса
Раствор № 6 7 8 9 10 11
Плотность раствора (кг/м3) 1900 1833 1660 1660 1690 1670
Цемент класса G 100 100 100 100 100 100
Молотый песок (% по весу сухого цемента) - 40 35 40 35 40
Углеродистый материал (% по весу сухого цемента) - - 42 43 15 53
Таблица 6Коэффициенты линейного теплового расширения для схватившихся цементов, содержащих различные количества кокса
Раствор № 6 7 8 9 10 11
Коэффициент линейного теплового расширения(·10-6/°C) 9 10 13 13 13 15

Пример 3

[37] После описания опыта в примере 1 было исследовано влияние размера частиц доменного кокса на коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента. С использованием состава раствора № 8 в примере 2, d50 одного коксового порошка был 160 мкм, а другого - 450 мкм. Как показано в таблице 7, коэффициент линейного теплового расширения увеличивался с d50 коксового порошка.

Таблица 7Влияние размера частиц кокса на коэффициент линейного теплового расширения
Коксовый порошок d50 160 мкм 450 мкм
Коэффициент линейного теплового расширения (·10-6/°C) 13 15

1. Способ регулирования свойств линейного теплового расширения цементного раствора для размещения в подземной скважине, имеющей по меньшей мере одну обсадную трубу и при этом представляющей собой эксплуатационную скважину месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, включающий:введение углеродистого материала в цементный раствор, так что коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента, содержащего углеродистый материал, будет выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистого материала, но ниже или равен 50·10-6/°C, при этомуглеродистый материал представляет собой один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из замедленного кокса, кокса, полученного процессом коксования в псевдоожиженном слое, прокаленного кокса, битума, древесного угля, угля, антрацита, чешуйчатого кокса, аморфного смолистого кокса, анодного кокса, доменного кокса, лигнита, битуминозного угля, подбитуминозного угля, экзинита, витринита, интертинита, гильсонита, тонкого колита, игольчатого кокса и активированного угля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация углеродистых материалов находится в пределах от около 10% до 60% по весу цемента.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц углеродистых материалов находится в пределах от около 1 мкм до 1200 мкм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цементный раствор дополнительно содержит диоксид кремния в количестве от 20% до 60% по весу цемента.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плотность цементного раствора регулируется путем добавления одного или более компонентов из списка, включающего стеклянные микросферы, керамические микросферы, компоненты композитных микросфер, гематит, ильменит, барит и тетраоксид марганца.

6. Применение углеродистого материала для регулирования свойств линейного теплового расширения схватившегося цемента, помещенного в подземную скважину, имеющую по меньшей мере одну обсадную трубу и при этом представляющую собой эксплуатационную скважину месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, что позволяет управлять тепловыми и механическими напряжениями, оказываемыми на цементную оболочку в скважине, при этомуглеродистый материал представляет собой один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из замедленного кокса, кокса, полученного процессом коксования в псевдоожиженном слое, прокаленного кокса, битума, древесного угля, угля, антрацита, чешуйчатого кокса, аморфного смолистого кокса, анодного кокса, доменного кокса, лигнита, битуминозного угля, подбитуминозного угля, экзинита, витринита, интертинита, гильсонита, тонкого колита, игольчатого кокса и активированного угля, и при этомкоэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента, содержащего указанный углеродистый материал, выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего указанного углеродистого материала, но ниже или равен приблизительно 50·10-6/°C.

7. Применение по п. 6, отличающееся тем, что концентрация углеродистого материала находится в пределах от около 10% до 60% по весу цемента, а размер частиц углеродистого материала находится в пределах от около 1 мкм до 1200 мкм.

8. Применение по п. 6, отличающееся тем, что цемент дополнительно включает двуокись кремния, концентрация которого находится в пределах от около 20% до около 60% по весу цемента.

9. Применение по п. 6, отличающееся тем, что плотность цементного раствора регулируется путем добавления одного или более компонентов из списка, включающего стеклянные микросферы, керамические микросферы, компоненты композитных микросфер, гематит, ильменит, барит и тетраоксид марганца.

10. Способ управления тепловыми и механическими напряжениями в цементной оболочке в подземной скважине, представляющей собой эксплуатационную скважину месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, включающий:i. установку по меньшей мере одной обсадной трубы в скважину,ii. приготовление цементного раствора, содержащего по меньшей мере один углеродистый материал в количестве, достаточном, чтобы схватившийся цемент, содержащий углеродистый материал, имел коэффициент линейного теплового расширения выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал, и ниже или равный приблизительно 50·10-6/°C, при этомуглеродистый материал представляет собой один или несколько материалов, выбранных из группы, состоящей из замедленного кокса, кокса, полученного процессом коксования в псевдоожиженном слое, прокаленного кокса, битума, древесного угля, угля, антрацита, чешуйчатого кокса, аморфного смолистого кокса, анодного кокса, доменного кокса, лигнита, битуминозного угля, подбитуминозного угля, экзинита, витринита, интертинита, гильсонита, тонкого колита, игольчатого кокса и активированного угля; иiii. размещение цементного раствора в скважине рядом с обсадной трубой, предоставление ему возможности схватиться.

www.findpatent.ru

Модули упругости и коэффициенты Пуассона для некоторых материалов 013

www.sopromat.info

Материал Модули упругости, МПа Коэффициент Пуассона
Модуль ЮнгаE Модуль сдвигаG
Чугун белый, серый Чугун ковкий (1,15...1,60)·105 1,55·105 4,5·104 - 0,23...0,27 -
Сталь углеродистая Сталь легированная (2,0...2,1)·105 (2,1...2,2)·105 (8,0...8,1)·104 (8,0...8,1)·104 0,24...0,28 0,25...0,30
Медь прокатная Медь холоднотянутая Медь литая 1,1·105 1,3·105 0,84·105 4,0·104 4,9·104 - 0,31...0,34 - -
Бронза фосфористая катаная Бронза марганцовистой катаная Бронза алюминиевая литая 1,15·105 1,1·105 1,05·105 4,2·104 4,0·104 4,2·104 0,32...0,35 0,35 -
Латунь холоднотянутая Латунь корабельная катаная (0,91...0,99)·105 1,0·105 (3,5...3,7)·104 - 0,32...0,42 0,36
Алюминий катаный Проволока алюминиевая тянутая Дюралюминий катаный 0,69·105 0,7·105 0,71·105 (2,6...2,7)·104 - 2,7·104 0,32...0,36 - -
Цинк катаный 0,84·105 3,2·104 0,27
Свинец 0,17·105 0,7·104 0,42
Лед 0,1·105 (0,28...0,3)·104 -
Стекло 0,56·105 0,22·104 0,25
Гранит 0,49·105 - -
Известняк 0,42·105 - -
Мрамор 0,56·105 - -
Песчаник 0,18·105 - -
Каменная кладка из гранита Каменная кладка из известняка Каменная кладка из кирпича (0,09...0,1)·105 0,06·105 (0,027...0,030)·105 - - - - - -
Бетон при пределе прочности, МПа: 10 15 20   (0,146...0,196)·105 (0,164...0,214)·105 (0,182...0,232)·105   - - -   0,16...0,18 0,16...0,18 0,16...0,18
Древесина вдоль волокон Древесина поперек волокон (0,1...0,12)·105 (0,005...0,01)·105 0,055·104 - - -
Каучук 0,00008·105 - 0,47
Текстолит (0,06...0,1)·105 - -
Гетинакс (0,1...0,17)·105 - -
Бакелит (2...3)·103 - 0,36
Висхомлит (ИМ-44) (4,0...4,2)·103 - 0,37
Целлулоид (1,43...2,75)·103 - 0,33...0,38

Модуль упругости | Справочник

Строго говоря, термин «модуль упругости» (модуль Юнга) относится непосредственно только к прямолинейному участку диаграммы напряжение— деформация или, в случае отсутствия такого участка, к касательной к кривой, проходящей через начало координат. Этот начальный модуль имеет небольшое практическое значение. Можно определять модуль упругости по касательным, проходящим через любую точку графика напряжение — деформация, однако этот модуль применим только при очень малых отклонениях нагрузки выше или ниже того уровня, при котором этот модуль определяется.

Величина наблюдаемых деформаций и ход кривой напряжение—деформация зависят, по крайней мере частично, от скорости приложения нагрузки. Когда нагрузка прилагается чрезвычайно быстро, например менее чем за 0,01 сек, деформации резко снижаются и кривизна зависимости напряжение—деформация становится чрезвычайно малой. Увеличение времени нагружения с 5 сек до 2 мин может изменить деформацию на 15%, но в пределах интервала от 2 до 10 мин (и даже до 20), т. е. за время, обычно применяемое при испытаниях образцов на стандартном испытательном оборудовании, увеличение деформаций ничтожно мало.

Увеличение деформации под нагрузкой или часть такого увеличения обусловлено ползучестью бетона, однако разделение упругой и пластической части деформации затруднительно из-за зависимости мгновенной деформации от скорости загружения. Для практических целей разделение деформаций производят следующим образом: деформация за время нагружения считается упругой, дальнейшее увеличение деформации протекает за счет ползучести бетона. Модуль упругости, удовлетворяющий этому условию, показан на рис. 6.1 как модуль деформации. Стандартных методов определения модуля деформации в настоящее время нет; в некоторых лабораториях он определяется при уровнях напряжений в интервалах от 28 до 140 кгс/см2, в других— при напряжениях, достигающих 15, 25, 33 или 50% разрушающей нагрузки. Поскольку модуль деформации уменьшается с увеличением напряжения, то напряжение, при котором он определяется, всегда должно быть установлено. Этот модуль является статическим модулем упругости, так как определяется он из отношения напряжения к деформации, которое в противоположность динамическому модулю устанавливается на уровне 280 кгс/см2.

Определение начального модуля упругости связано со значительными трудностями, однако его приблизительная величина может быть определена косвенным путем: секущая к кривой напряжение—деформация на ветви разгрузки часто, хотя и не во всех случаях, параллельна касательной, проходящей через начало координат. Повторная нагрузка и разгрузка уменьшает ползучесть, поэтому диаграмма напряжение—деформация, полученная после трех или четырех нагружений, характеризуется весьма малой кривизной.

Влияние ползучести на величину общей деформации значительно уменьшается при измерениях деформаций в малом диапазоне изменения напряжений, однако в этом случае точный замер деформации представляет большие трудности.

Модуль упругости бетона увеличивается пропорционально корню квадратному из его прочности. Эта зависимость справедлива только для основной части графика и зависит от условий испытания образцов: водонасыщенные образцы характеризуются более высоким модулем упругости, чем сухие, в то время как прочности их находятся на одном уровне. Свойства заполнителя также влияют на модуль упругости бетона; с увеличением модуля упругости крупного заполнителя увеличивается модуль упругости бетона. Форма поверхности крупного заполнителя и характеристика его поверхности могут также влиять на величину модуля упругости бетона и на вид графической зависимости напряжение — деформация.

Ниже приведен модуль упругости бетона различной прочности, определенный в соответствии с руководством СР 2007—1960 по проектированию предварительно напряженного бетона.

Соотношение между модулем упругости и прочностью бетона зависит также от количественного соотношения компонентов в смеси (модуль упругости заполнителей обычно выше, чем модуль упругости цементного камня) и от возраста образцов: с увеличением возраста бетона модуль упругости его растет быстрее, чем прочность.

Соотношение между модулем упругости и прочностью бетона остается неизменным при действии повышенных (до 230° С) температур, поскольку в этом температурном интервале и модуль упругости и прочность бетона изменяется с повышением температуры по одному закону.

Выше были рассмотрены вопросы, связанные с модулем упругости при сжатии, однако для ряда бетонов модуль упругости при растяжении имеет те же значения, что и модуль упругости при сжатии. Модуль упругости при растяжении может быть определен по результатам испытаний образцов на изгиб, при этом, в случае необходимости, производится  корректировка  результатов на влияние среза.

При испытаниях на изгиб на графической зависимости напряжение—деформация имеется нисходящая ветвь кривой при нагрузках, близких к разрушающим, т.е. имеет место уменьшение напряжений, сопровождающееся увеличением деформаций бетона. Такое же явление наблюдается и при испытаниях на сжатие при условии, что образец загружается при постоянной величине деформации.

Модуль упругости при срезе прямыми экспериментами  не определяется.

uralzsm.ru

Модуль упругости (модуль Юнга) | Мир сварки

 Модуль упругости

Модуль упругости (модуль Юнга) E – характеризует сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение напряжения к удлинению. Часто модуль Юнга называют просто модулем упругости.

1 кгс/мм2 = 10-6 кгс/м2 = 9,8·106 Н/м2 = 9,8·107 дин/см2 = 9,81·106 Па = 9,81 МПа

Модуль упругости (модуль Юнга) Материал E кгс/мм2 107 Н/м2 МПа
 Металлы
Алюминий 6300-7500 6180-7360 61800-73600
Алюминий отожженный 6980 6850 68500
Бериллий 30050 29500 295000
Бронза 10600 10400 104000
Бронза алюминиевая, литье 10500 10300 103000
Бронза фосфористая катаная 11520 11300 113000
Ванадий 13500 13250 132500
Ванадий отожженный 15080 14800 148000
Висмут 3200 3140 31400
Висмут литой 3250 3190 31900
Вольфрам 38100 37400 374000
Вольфрам отожженный 38800-40800 34200-40000 342000-400000
Гафний 14150 13900 139000
Дюралюминий 7000 6870 68700
Дюралюминий катаный 7140 7000 70000
Железо кованое 20000-22000 19620-21580 196200-215800
Железо литое 10200-13250 10000-13000 100000-130000
Золото 7000-8500 6870-8340 68700-83400
Золото отожженное 8200 8060 80600
Инвар 14000 13730 137300
Индий 5300 5200 52000
Иридий 5300 5200 52000
Кадмий 5300 5200 52000
Кадмий литой 5090 4990 49900
Кобальт отожженный 19980-21000 19600-20600 196000-206000
Константан 16600 16300 163000
Латунь 8000-10000 7850-9810 78500-98100
Латунь корабельная катаная 10000 9800 98000
Латунь холоднотянутая 9100-9890 8900-9700 89000-97000
Магний 4360 4280 42800
Манганин 12600 12360 123600
Медь 13120 12870 128700
Медь деформированная 11420 11200 112000
Медь литая 8360 8200 82000
Медь прокатанная 11000 10800 108000
Медь холоднотянутая 12950 12700 127000
Молибден 29150 28600 286000
Нейзильбер 11000 10790 107900
Никель 20000-22000 19620-21580 196200-215800
Никель отожженный 20600 20200 202000
Ниобий 9080 8910 89100
Олово 4000-5400 3920-5300 39200-53000
Олово литое 4140-5980 4060-5860 40600-58600
Осмий 56570 55500 555000
Палладий 10000-14000 9810-13730 98100-137300
Палладий литой 11520 11300 113000
Платина 17230 16900 169000
Платина отожженная 14980 14700 147000
Родий отожженный 28030 27500 275000
Рутений отожженный 43000 42200 422000
Свинец 1600 1570 15700
Свинец литой 1650 1620 16200
Серебро 8430 8270 82700
Серебро отожженное 8200 8050 80500
Сталь инструментальная 21000-22000 20600-21580 206000-215800
Сталь легированная 21000 20600 206000
Сталь специальная 22000-24000 21580-23540 215800-235400
Сталь углеродистая 19880-20900 19500-20500 195000-205000
Стальное литье 17330 17000 170000
Тантал 19000 18640 186400
Тантал отожженный 18960 18600 186000
Титан 11000 10800 108000
Хром 25000 24500 245000
Цинк 8000-10000 7850-9810 78500-98100
Цинк катаный 8360 8200 82000
Цинк литой 12950 12700 127000
Цирконий 8950 8780 87800
Чугун 7500-8500 7360-8340 73600-83400
Чугун белый, серый 11520-11830 11300-11600 113000-116000
Чугун ковкий 15290 15000 150000
 Пластмассы
Плексиглас 535 525 5250
Целлулоид 173-194 170-190 1700-1900
Стекло органическое 300 295 2950
 Резины
Каучук 0,80 0,79 7,9
Резина мягкая вулканизированная 0,15-0,51 0,15-0,50 1,5-5,0
 Дерево
Бамбук 2000 1960 19600
Береза 1500 1470 14700
Бук 1600 1630 16300
Дуб 1600 1630 16300
Ель 900 880 8800
Железное дерево 2400 2350 32500
Сосна 900 880 8800
 Минералы
Кварц 6800 6670 66700
 Различные материалы
Бетон 1530-4100 1500-4000 15000-40000
Гранит 3570-5100 3500-5000 35000-50000
Известняк плотный 3570 3500 35000
Кварцевая нить (плавленая) 7440 7300 73000
Кетгут 300 295 2950
Лед (при -2 °С) 300 295 2950
Мрамор 3570-5100 3500-5000 35000-50000
Стекло 5000-7950 4900-7800 49000-78000
Стекло крон 7200 7060 70600
Стекло флинт 5500 5400 70600

 Литература

  1. Краткий физико-технический справочник. Т.1 / Под общ. ред. К.П. Яковлева. М.: ФИЗМАТГИЗ. 1960. – 446 с.
  2. Справочник по сварке цветных металлов / С.М. Гуревич. Киев.: Наукова думка. 1981. 680 с.
  3. Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.
  4. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И.К. Кикоина. М., Атомиздат. 1976, 1008 с.

weldworld.ru


Смотрите также