Дисперсные системы и промывочные жидкости - Аэрация и аэрированные системы

Аэрация и аэрированные системы

 

Аэрация позволяет уменьшить плотность любых промывоч­ных жидкостей в широких пределах (практически до величин, близких к плотности воздуха). При этом возрастают реологиче­ские свойства промывочного агента, так как воздушные пузырь­ки играют роль наполнителя — твердой фазы. Изменение вяз­кости аэрированной жидкости с концентрацией воздуха от 0 до 54% можно оценить по следующей формуле:

µа = µи(1 + 3,6С),(IV.1)

при концентрации от 54 до 96%

                                                  μа = μи•1/(1- С0,49).                    (IV.2)

Здесь μа, μи — вязкости соот­ветственно аэрированной и ис­ходной жидкостей; С — концент­рация воздуха.

clip_image124clip_image126

 

В дисперсных аэрированных системах с твердой фазой возра­стают динамическое и статиче­ское напряжения сдвига. Харак­тер их изменения зависит от ка­чества твердой фазы и степени дисперсности воздуха. Чем выше качество активной твердой фазы и выше степень дисперсности воз­духа, тем интенсивнее растут τ0 и θ с ростом содержания воздуха. Так степень дисперсности возду­ха практически не регулируется,

учесть ее влияние очень трудно, что еще более осложняет оцен­ку изменения реологических свойств дисперсных промывочных жидкостей с твердой фазой при аэрации.

На рис. 31 приведен характер изменения свойств некоторых промывочных жидкостей с твердой фазой при аэрации. Кривые η,τ0, p, получены для жидкости, содержащей в качестве актив­ной фазы дружковскую глину, кривые η' ,τ0', р'— для жидкости, содержащей в качестве активной фазы выбуренную породу {глинистый сланец).

Плотность аэрированной жидкости обусловлена требуемым снижением гидростатического давления и глубиной скважины. Зависимость плотности аэрированной жидкости от давления определяется формулой

clip_image128

где ро, р — плотность соответственно аэрированной и исходной промывочных жидкостей; а-—количество воздуха (газа), со­держащегося в единице объема аэрированной жидкости; р0 , р— давление соответственно атмосферное и заданное.


Гидростатическое давление аэрированной жидкости р на глубине hопределяется из следующего соотношения, получен­ного для статических условий:

        clip_image131

clip_image133

Аэрация жидкости применяется чаще всего при бурении в условиях поглощения, когда требуется уравновесить пластовое давление в поглощающей зоне с давлением в скважине. Кон­кретные условия определяют величину плотности аэрированной жидкости, которая может быть аналитически рассчитана как ис­ходная на поверхности только в статике. В процессе бурения к гидростатическому давлению добавляется давление, обуслов­ленное гидравлическими сопротивлениями при циркуляции про­мывочной жидкости. Поэтому ее плотность должна быть мень­ше расчетной. В определенных условиях повышение реологиче­ских свойств при наличии воздушной фазы может свести эф­фект аэрации к нулю. Для воды эта связь менее существенна, чем для дисперсных систем с твердой фазой.

Пределы регулирования плотности жидкости аэрацией оп­ределяются геолого-техническими условиями бурения, видом исходной жидкости, способом аэрации.

Для придания промывочной жидкости способности закупо­ривать поры и трещины в нее вводят инертные наполнители. Эффективность закупоривания определяется размером частиц и их формой, фракционным составом наполнителя, его концентра­цией и видом исходного материала.

Наиболее важное значение имеет правильная сортировка частиц по размерам и выбор оптимального фракционного со­става. Считается, что для надежного закупоривания каналов ухода максимальные размеры частиц наполнителя должны быть в 2 раза меньше величины раскрытия трещин. Вследствие разнообразия форм частиц наполнителя такие рекомендации носят слишком общий характер. Поэтому для оценки закупоривающей способности различных материалов в каналах различ­ной формы и раскрытия широко используются эксперименталь­ные методы. Раздельно оценивается закупоривающая способ­ность в порах, трещинах с параллельными гранями и клиновид­ных трещинах. Обычно для каждого размера частиц, для каж­дой формы частиц наполнителя существует критический раз­мер щели. В то же время надежны комбинации разноразмер­ных частиц.

При определенном сочетании частиц различных размеров наполнители дают наибольший эффект. Крупные частицы со­здают основу тампона в трещине, а мелкие уменьшают его про­ницаемость, повышают устойчивость. Соотношение размеров можно получить только экспериментальным путем. Закупори­вающая способность наполнителя изменяется лишь при малых концентрациях материала. С ростом концентрации ее влияние становится менее существенным и, наконец, перестает сказы­ваться.

Ряд наполнителей, несмотря на то что в литературе они на­зываются инертными, таковыми не являются. В первую оче­редь это относится к закупоривающим материалам раститель­ного происхождения. Непосредственно на реологические свой­ства раствора они влияют несущественно. Однако, впитывая во­ду, они уменьшают объем жидкой фазы раствора. Относитель­ный объем твердой фазы увеличивается, что может привести к резкому росту вязкости и статического напряжения сдвига.   В последние годы начали интенсивно развиваться новые методы физического воздействия на дисперсные промывочные жидкости с целью регулирования их свойств. Это — так назы­ваемая активация промывочных жидкостей, с помощью которой регулируются главным образом реологические и фильтрацион­ные параметры дисперсных систем.

Наиболее перспективны: вибровоздействие, обработка элект­рическим током, обработка магнитным полем. Вибровоздействие представляет собой обработку вибрационным полем в форме гидроударных импульсов определенной частоты. Эффект воз­действия здесь реализуется за счет дополнительного дисперги­рования твердой фазы. При обработке электрическим током за счет наложения на промывочную жидкость знакопеременных воздействий происходят электрофорез, электроосмос и другие явления, существенно влияющие на процессы коагуляции, диспергации, физические свойства воды.

Обработка магнитным полем в основном связана с воздей­ствием на воду как дисперсионную среду. Механизм влияния магнитного поля на вещества, содержащие воду, до конца не изучен. Считается, что он связан со структурными изменениями в веществе, возникающими в результате ориентирующего или поляризующего действия магнитного поля. Диапазон изменения свойств промывочных жидкостей при их обработке указанными методами пока ограничен.