СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТОВ

0
1. Способ определения механических параметров цементной системы с исходным составом С и тонкостью помола Φ как функции времени и как функции тонкости помола цементной системы, давления и/или температуры, включающий следующие стадии:
p
1
1
(A) определяют степень гидратации цементной системы как функцию времени α(t) из скорости волн сжатия как функции времени V(t), измеренной в образце цементной системы при давлении P и температуре Τ;
n
n
n
(B) определяют степень гидратации α(t) как функцию желаемых значений тонкости помола Ф цементной системы, давления Р и/или температуры Т;
n
n
n
(C) определяют состав цементной системы как функцию времени C(t) и как функцию желаемых значений тонкости помола Ф цементной системы, давления Р и/или температуры Т, из степени гидратации α(t), определенной на стадии В;
n
n
n
(D) определяют по меньшей мере один механический параметр цементной системы как функцию времени и как функцию желаемых значений тонкости помола Ф цементной системы, давления Р и/или температуры Т, из состава цементной системы C(t), определенного на стадии С.
p
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий начальную стадию измерения скорости волн сжатия как функции времени V(t) в образце цементной системы.
3. Способ по п. 1, в котором указанный механический параметр выбран из статических параметров деформируемости, предпочтительно, статических параметров упругости, таких как статический модуль Юнга (Е), статический коэффициент Пуассона (v), модуль объемной упругости (K), модуль сдвига (G) и их сочетания.
4. Способ по п. 3, в котором определяют два статических параметра упругости.
5. Способ по п. 3 или 4, в котором дополнительно определяют механический параметр, выбираемый из параметров гидромеханической связи, таких как коэффициент Био или коэффициент Скемптона и их сочетаний.
p
6. Способ по п. 1, в котором степень гидратации цементной системы как функцию времени α(t) вычисляют, исходя из V(t) в соответствии с линейным соотношением.
p
P
0
∞
0
0
p
∞
7. Способ по п. 6, в котором степень гидратации цементной системы как функцию времени α(t) вычисляют из V(t) в соответствии с соотношением α=(V-V)/(V-V), где V и V соответствуют скорости волн сжатия, измеренной в образце цементной системы в момент времени t=0 и в момент времени t соответственно, а V соответствует скорости волн сжатия в образце полностью гидратированной цементной системы.
∗
∗
8. Способ по п. 1, в котором процесс гидратации содержит первую ступень, на которой гидратация, в основном, обусловлена процессом нуклеаризации и роста, и вторую ступень, на которой гидратация, в основном, обусловлена процессом диффузии ионов, причем упомянутая вторая ступень начинается, когда степень гидратации α достигает порогового значения степени гидратации α, причем это пороговое значение α является функцией температуры, при этом стадия В включает следующие подстадии:
(B-i) определяют степень гидратации α(t) во время первой ступени процесса гидратации цементной системы;
(B-ii) определяют степень гидратации α(t) во время второй ступени процесса гидратации цементной системы;
при этом на каждой из подстадий B-i и B-ii учитывают тонкость помола Φ цементной системы, давление и температуру для определения степени гидратации α(t).
∗
∗
9. Способ по п. 8, в котором пороговое значение степени гидратации α вычисляют путем минимизации разницы между α(t), определенной с использованием кинетической модели 120, и α(t), определенной экспериментально, исходя из скорости волн сжатия, для различных температур и при постоянном давлении, так чтобы учесть изменение α как функции температуры на стадии В.
10. Способ по п. 9, в котором:
0
- цементная система начального состава С содержит цемент и воду, причем цемент содержит по меньшей мере одну реакционноспособную начальную фазу X;
- степень гидратации α(t), определяемая на стадии В, соответствует взвешенному среднему степеней гидратации каждой из реакционноспособных начальных фаз X цемента;
x
x
x
- степень гидратации каждой реакционноспособной фазы X цемента является функцией отношения химического сродства A(α) реакционноспособной начальной фазы X, причем это химическое сродство A(α) управляет степенью изменения гидратации реакционноспособной начальной фазы X, к характеристическому времени, связанному с реакцией реакционноспособной начальной фазы X с водой τ;
x
- и характеристическое время, связанное с реакцией реакционноспособной начальной фазы X с водой τ является функцией тонкости помола Φ цемента, давления и температуры.
х
11. Способ по п. 10, в котором характеристическое время, связанное с реакцией реакционноспособной начальной фазы X с водой τ выражают в соответствии со следующим уравнением:
0
0
0
0
x
x
x
2
где Ф - тонкость помола эталонного цемента, предпочтительно, Ф=3600 см/г, Т - начальная температура, а Р - начальное давление в момент времени t=0 процесса гидратации, R - газовая постоянная, ΔΕ - энергия активации, ΔV - активационный объем для нуклеаризации и роста гидратов во время первой ступени процесса гидратации, n - константа.
12. Способ по п. 1, в котором цементная система содержит m фаз, включая:
3
2
3
4
- по меньшей мере, одну реакционноспособную начальную фазу X, предпочтительно выбираемую из группы, состоящей из трехкальциевого силиката CS, двухкальциевого силиката CS, трехкальциевого алюмината СА, четырехкальциевого алюмоферрита CF и их сочетаний;
- по меньшей мере, одну гидратированную фазу Y, получаемую в результате гидратации по меньшей мере одной реакционноспособной начальной фазы X, предпочтительно выбираемую из группы, состоящей из гидратированного силиката кальция C-S-H, гидроксида кальция СН, гидратированного трисульфоалюмината кальция TSA, гидратированного моносульфата кальция AFm, гидратированного алюмоферрита кальция и их сочетания;
- воду;
0
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>w</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
при этом начальный состав цементной системы С содержит заданный начальный объем воды
и по меньшей мере одну реакционноспособную начальную фазу X;
и в котором на стадии С оценивают состав цементной системы как функцию времени C(t) путем определения молярной, массовой или объемной доли m фаз цементной системы.
13. Способ по п. 12, в котором:
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>x</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- объем по меньшей мере одной реакционноспособной начальной фазы X как функцию времени
вычисляют в соответствии с уравнением (XIV):
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>x</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
x
где
- начальный объем реакционноспособной начальной фазы X, а α(t) - степень гидратации реакционноспособной начальной фазы X как функция времени;
- объем по меньшей мере одной гидратированной фазы как функцию времени вычисляют в соответствии с уравнением (XV):
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>y</mi><mi>x</mi></msubsup></mrow>
x
где
- объем, занимаемый гидратированной фазой Υ, образованной реакционноспособной фазой X в представительном элементарном объеме, а α(t) - степень гидратации реакционноспособной фазы X как функция времени;
- объем воды как функцию времени вычисляют в соответствии с уравнением (XVI):
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>w</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>w</mi><mi>x</mi></msubsup></mrow>
x
где
- начальный объем воды в цементной системе,
- объем воды, потребленный фазой X, α(t) - степень гидратации фазы X как функция времени.
14. Способ по п. 1, в котором стадию D выполняют в соответствии с методом мультикомпозиционного анализа (140), причем упомянутый метод мультикомпозиционного анализа (140):
- учитывает мультимасштабную модель цементной системы, при этом указанная мультимасштабная модель содержит по меньшей мере один элементарный масштаб, представляющий глобулы твердой фазы C-S-H, и макроскопический масштаб цементной системы, предпочтительно, чтобы мультимасштабная модель содержала три масштаба;
- и позволяет определить по меньшей мере один механический параметр цементной системы как функцию времени для заданного значения тонкости помола цементной системы, давления и/или температуры, используя методы гомогенизации, предпочтительно, схему Мори-Танаки и самосогласованную схему, при известном составе цементной системы C(t), определенном на стадии С, и при известном изменении компонентов цемента цементной системы, полученном из модели динамики гидратации, используемой на стадии А.
15. Способ по п. 1, в котором цементная система содержит портландцемент.
16. Способ по п. 1, предназначенный для определения механических свойств цементной системы, используемой в качестве цементной оболочки или пробки в скважине, предпочтительно, в нефтяной скважине.
17. Носитель памяти, хранящий программный продукт, содержащий инструкции для осуществления способа по любому из пп. 1-16.