Дисперсные системы и промывочные жидкости - ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

 

 

К физическим способам регулирования свойств промывоч­ных жидкостей относятся: 1) изменение соотношения между содержанием активной твердой фазы и дисперсионной среды (разбавление, концентрация); 2) диспергация твердой фазы в растворе; 3) увеличение содержания твердой фазы (утяжеле­ние); 4) насыщение промывочной жидкости воздухом (аэрация); 5) введение инертных наполнителей для придания заку­поривающих свойств.

Первые два способа используются для регулирования струк­турно-механических и фильтрационных свойств, третий и чет­вертый — для регулирования плотности; пятый — для регулиро­вания закупоривающих свойств.

Нормальная концентрация дисперсной фазы обусловлена требованиями к совокупности свойств, определяемых ее содер­жанием и дисперсностью. Увеличение концентрации дисперсной фазы вызывает рост структурно-механических свойств и плот­ности промывочной жидкости, понижение показателя фильтра­ции. Интенсивность изменения свойств зависит от вида твердой фазы. Так, если дисперсная фаза представлена высококачест­венной глиной, то 7—10% ее может считаться нормальным со­держанием, в случае использования низкокачественных глин для получения тех же структурно-механических свойств может оказаться недостаточным и 30% твердой фазы. Характер из­менения свойств промывочной жидкости в зависимости от кон­центрации твердой фазы, например дружковской глины, приве­ден на рис. 30.

Для оценки ожидаемых свойств промывочной жидкости при увеличении содержания дисперсной фазы необходимо экспери­ментально получить зависимости, подобные приведенным выше, и, исходя из конкретных условий, выбирать ту или иную кон­центрацию.

Увеличивать концентрацию дисперсной фазы в процессе бу­рения можно путем приготовления более концентрированного раствора и последующего перемешивания в циркуляционной си­стеме скважины с используемой промывочной жидкостью. Есте­ственное увеличение концентрации дисперсной фазы происходит за счет поступления в промывочную жидкость наиболее мелких частиц разбуриваемых горных пород в качестве активного ком­понента. Степень влияния этого фактора на структурно-меха­нические и фильтрационные свойства промывочной жидкости обусловлена дисперсностью частиц, минеральным составом и степенью метаморфизма пород.

 clip_image121clip_image123

 

 Перспективно центрифугиро­вание жидкостей, в процессе ко­торого происходит интенсивное отделение жидкой фазы. Чаще в практике разведочного бурения пользуются разбавлением дис­персной системы водой с целью понижения структурно-механи­ческих свойств промывочной жидкости. Такое разбавление всегда сопровождается повыше­нием показателя фильтрации, что, как правило, нежелательно. Следует иметь в виду, что раз­бавление водой существенно сни­жает структурно-механические свойства промывочных жидкостей и в первую очередь глинистых. При одной и той же плотности растворов, приготовленных сме­шиванием компонентов и полученных разбавлением более плот­ного, структурно-механические свойства последнего будут ниже.

Лишь в процессе длительного перемешивания разбавленной промывочной жидкости ее структурно-механические параметры возрастут, но равными параметрами неразбавленного раствора той же плотности не будут долго. Это объясняется тем, что наи­более активно вода связывается в процессе диспергации твердой фазы. Последующие добавки ее не приводят к быстрому суще­ственному перераспределению объемов связанной и свободной воды. Поэтому пользоваться разбавлением водой нужно осто­рожно, проведя предварительно соответствующие опыты в лабо­раторных условиях и выполнив необходимые измерения.

При регулировании структурно-механических свойств про­мывочной жидкости разбавлением в процессе бурения вследст­вие резкого разжижения дисперсной системы будет интенсивно выпадать шлам в циркуляционной системе скважины. В широ­ких пределах структурно-механические свойства, устойчивость дисперсных систем и в первую очередь глинистых растворов регулируются повышением степени дисперсности компонентов. При этом у промывочных жидкостей с твердой фазой снижается показатель фильтрации. С этой целью промывочную жидкость дополнительно обрабатывают в специальных устройствах — дис-пергаторах.

При приготовлении промывочной жидкости происходит пер­вичное измельчение дисперсной фазы. Дисперсность дисперги­руемой фазы будет зависеть от ее вида и качества, исходных размеров частиц, способа и длительности измельчения и других факторов. Однако полной диспергации в процессе приготовле­ния не происходит. Наиболее сложные процессы идут при до­полнительном диспергировании твердой фазы. Их физико-механическая сущность сводится к следующему. Значительная масса частиц твердой фазы в исходной дисперсной системе представ­ляет собой агрегаты мелкодисперсных частиц размером до 100 мкм. Под воздействием нагрузок эти агрегаты разрушают­ся, открывая доступ к сухим поверхностям. Вследствие адсорб­ционного понижения твердости и расклинивающего давления происходит расщепление материала с образованием более мел­ких частиц.

Разрушение агрегатов частиц приводит к освобождению ак­тивных минералов, блокированных в более инертных массах, образованию ненасыщенных оборванных связей в местах изло­мов частиц, к некомпенсированности их зарядов. Наличие в жидкой фазе поверхностно-активных веществ способствует пептизации. Последняя резко усиливается при напряженном со­стоянии частиц твердой фазы, особенно если оно ведет к появ­лению или раскрытию дефектов структур. Имеет значение и пе­риодичность силовых воздействий.

Затраты энергии на измельчение зависят от конечной дис­персности измельчаемого материала. Совокупное влияние фак­торов, сопутствующих реальному процессу измельчения, на­столько сложное, что нельзя определить оптимальную энергоем­кость процесса дополнительного диспергирования только на ос­нове физических свойств измельчаемого материала.

Как показывают данные многочисленных исследований, для каждого реального диспергирующего устройства существует оп­ределенная длительность процесса, увеличение которой уже не приводит к дальнейшему диспергированию твердых частиц и изменению свойств дисперсной системы. Механические воздей­ствия для этого слишком кратковременны, прилагаются лишь к сравнительно небольшой части твердой фазы и существенно обесцениваются защитным действием водной среды и гидратных слоев на частицах. На увеличение дисперсности частиц начина­ет влиять и увеличение энергоемкости разрушения с уменьше­нием размеров твердой фазы.

Таким образом, требования, обусловливающие максимальный эффект воздействия на дисперсную систему с твердой фазой при диспергировании, сводятся к следующему:

оптимальная частота воздействия на минерал, в результате чего раскрываются дефекты структуры и появляются новые трещины;

рациональная удельная интенсивность воздействия на твер­дую фазу промывочной жидкости;

одновременное воздействие механического и пептизационного факторов;

оптимальное время контакта частиц с активной зоной разру­шения (оптимальное время диспергирования).

Дополнительной диспергацией твердой фазы можно при од­ном и том же ее содержании в 2—3 раза увеличить структурную вязкость, в 6—9 раз — динамическое напряжение сдвига, в  1,5 раза уменьшить водоотдачу, кроме того уменьшается содержа­ние песка, улучшается стабильность (суточный отстой и ста­бильность могут равняться нулю). Процесс диспергирования позволяет сократить количество твердой фазы в промывочной жидкости при заданных структурно-механических свойствах. Чем ниже качество глины, тем значительнее эффект дисперги­рования.

Для повышения плотности промывочной жидкости в первую очередь стремятся увеличить содержание исходной твердой фа­зы. Однако это сопровождается нежелательным увеличением структурно-механических свойств жидкости. Чем выше качест­во твердой фазы, тем интенсивнее растут реологические харак­теристики промывочной жидкости и при определенном содер­жании твердой фазы возрастают до недопустимых значений. Так, увеличением содержания высококачественной глины мож­но получить плотность около 1,2 г/см3, при использовании низ­кокачественных глин — до 1,35 г/см3.

Промывочные жидкости утяжеляют специальными высоко-диспергированными инертными материалами высокой плотно­сти — утяжелителями. Это не просто наполнители, они сущест­венно влияют на структурно-механические свойства промывоч­ных жидкостей. Во-первых, для удержания частиц наполнителя жидкость должна иметь определенные структурно-механические свойства и в первую очередь статическое напряжение сдвига. Во-вторых, введение утяжелителя существенно увеличивает рео­логические свойства, но в то же время ограничивает возможно­сти их регулирования. Даже небольшое разжижение дисперсной системы может вызвать выпадение утяжелителя в осадок и при­хват бурильного инструмента в скважине.

Утяжелители позволяют регулировать плотность промывоч­ных жидкостей в широких пределах (до 2,2 г/см3 и даже более). Поэтому основной метод повышения плотности — введение утя­желителей.

Плотность промывочной жидкости понижают двумя метода­ми: 1) уменьшением содержания твердой фазы; 2) насыщением жидкости воздухом (аэрацией). Возможности первого метода ограничены наличием и концентрацией твердой фазы, а также необходимостью иметь определенные структурно-механические свойства дисперсной системы. Пределы изменения плотности здесь несущественны (0,05—0,2 г/см3) в зависимости от каче­ства твердой фазы.