Дисперсные системы и промывочные жидкости

Дисперсные системы и промывочные жидкости

ВВЕДЕНИЕ

 

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусматривается обеспечить дальнейшее укрепление и рас­ширение минерально-сырьевой базы страны, повышение эффек­тивности и качества подготовки к освоению разведанных запасов полезных ископаемых.

Выполнение задач, стоящих перед геологоразведочной служ­бой нашей страны, невозможно без дальнейшего развития буро­вых работ, совершенствования техники и технологии бурения разведочных скважин. Технико-экономические показатели бу­рения во многом определяются правильным выбором промы­вочной жидкости.

Первые скважины с промывкой бурили с применением воды. В процессе бурения вода нередко насыщалась мельчайшими частицами выбуриваемых горных пород, которые, оставаясь в  жидкости во взвешенном состоянии, придавали ей новые свой­ства, и в частности, способствовали укреплению стенок сква­жин, снижению фильтрующей способности и др. При разбуривании глин образовывались высококачественные промывочные жидкости со стабильной структурой. Со временем промывочные жидкости, содержащие глину (они получили название глини­стых растворов), начали приготовлять искусственно. Для регули­рования их качества стали добавлять различные вещества, что существенно расширило область применения глинистых растворов.

Однако наряду с положительными свойствами глинистые рас­творы имеют ряд недостатков. При промывке не всегда сохра­няется устойчивость стенок скважин, уменьшается механическая скорость бурения, увеличиваются энергетические затраты на про­мывку скважин и т. д. Поэтому в последние годы появились и все более широко применяются жидкости, не содержащие глини­стой составляющей. Это — вода с небольшими добавками раз­личных активных веществ, приобретающая либо свойства, при­сущие глинистым растворам, либо новые свойства, меняющие характер взаимодействия с породами. Применяются и промы­вочные жидкости с менее активной неглинистой твердой средой.

Происходит постепенное вытеснение глинистых растворов. С другой стороны, в безглинистые промывочные жидкости при­ходится вводить небольшое количество высококоллоидальных глин, которые, существенно не влияя на механическую скорость бурения, сохраняют ряд положительных свойств глинистых рас­творов. Многообразие геолого-технических условий бурения скважин, развитие техники и технологии бурения, химии и хи­мических производств, повышение требований к экономике буровых  работ и охране окружающей   среды - все   это ведет к совершенствованию качества промывочных жидкостей.

Одновременно с распространением промывки скважин разви­валось и их тампонирование. Сначала оно ограничивалось при­менением цементных растворов и цементированием обсадных труб. Затем появились и более сложные тампонажные составы, которые со временем совершенствовались. Необходимость охра­ны окружающей среды обусловила повышение требований к ка­честву материалов для приготовления промывочных жидкостей и тампонажных составов, к качеству тампонирования скважин на всех этапах работ.

В разработку рецептур промывочных жидкостей и тампонажных смесей большой вклад внесли советские ученые и инжене­ры. Теоретические основы дисперсных и коллоидных систем, применения понизителей твердости горных пород в бурении бы­ли разработаны в АН СССР академиком П. А. Ребиндером, Н. Н. Серб-Сербиной, Н. В. Михайловым и др., ряд важных во­просов исследования и использования глинистых растворов ре­шен в Институте коллоидной химии и химии воды АН УССР.

Теория и практика использования промывочных жидкостей и тампонажных смесей успешно разрабатываются в ВНИИКР-нефти, ВНИИБТ, ВИТР, ИМР, БелНИГРИ, УкрНИГРИ, УфНИИ и др. Необходимо отметить работы В. С. Баранова, А. И. Булатова, С. Ю, Жуховицкого, В. И. Крылова, А. X. Мирзаджанзаде, В. И. Рябченко, Р. И. Шищенко и др.

Специфика бурения разведочных скважин во многом опреде­ляет возможности и особенности использования тех или иных промывочных жидкостей и тампонажных смесей, пути совершен­ствования их рецептур. У истоков исследований по разработке и применению промывочных жидкостей и тампонажных смесей в разведочном колонковом бурении стоят Б. И. Воздвиженский, С. А. Волков, А. В. Марамзин, Ф. А. Шамшев. В настоящее время такие работы проводятся практически на всех кафедрах, выпускающих инженеров по специальности «Технология и техни­ка разведки полезных ископаемых». Теоретические и приклад­ные исследования Б. Б. Кудряшова, Е. Л. Лиманова, С. С. Су­лакшина, Л. В. Макарова, И. И. Рафиенко, Н. Т. Туякбаева, А. М. Яковлева и других специалистов направлены на решение актуальных задач промывки и тампонирования скважин в раз­ведочном бурении.

Большой вклад в разработку прикладных вопросов примене­ния промывочных жидкостей и тампонажных смесей вносят кол­лективы опытно-методических партий геологических объедине­ний.

Знание методов приготовления и применения, принципов под­бора рецептур, регулирования свойств промывочных жидкостей крайне необходимо инженеру по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» в его повседневной деятельности.

 

 

 


РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

 

Промывочные жидкости представляют собой физико-химиче­ские системы, состоящие из одной или нескольких фаз. Одно­фазные системы из двух или более веществ, не имеющие между компонентами поверхности раздела, называются гомогенными. Примером таких систем являются истинные растворы. Компоненты раствора — растворитель и растворенное вещество (вещества). Растворителем называется среда, в которой равномерно распределены растворенные вещества. Растворитель содержится в системе в относительно большем количестве.

Процесс растворения в общем случае не представляет собой простого распределения молекул или ионов одного вещества сре­ди молекул или ионов другого, но большей частью связан с раз­личными взаимодействиями между ними физического и химиче­ского характера. Растворы характеризуются концентрацией, т. е. количеством растворенного вещества в определенном объ­еме раствора. Концентрация выражается в массовых долях, мас­совых частях, молях растворенного вещества.

В бурении истинные растворы применяются либо для обра­ботки промывочных жидкостей, либо (реже) в качестве само­стоятельной промывочной среды, например растворы солей при бурении в зонах многолетнемерзлых пород.

Системы, состоящие из двух или большего числа фаз, между которыми существуют реальные поверхности раздела, называют­ся гетерогенными. Значительная часть гетерогенных систем— дисперсные системы. К последним относится большинство промывочных жидкостей и тампонажных растворов.

Дисперсной фазой дисперсной системы называется ве­щество, мелко раздробленное и равномерно распределенное в другом, получившем название дисперсионной среды. И дис­персионная среда, и дисперсная фаза могут быть твердыми, жид­кими и газообразными. Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, то система называется монодисперсной, в противном случае — полидисперсной.  В зависимости от вида и количества дисперсной фазы дисперсные системы относятся к жидкостям или твердым (твердообразным) телам. Промывочные жидкости и тампонажные смеси относятся в основном к поли­дисперсным системам.

Дисперсная фаза промывочной жидкости может быть пред­ставлена одним или несколькими компонентами. Чаще всего промывочные жидкости являются многокомпонентными систе­мами.

Степень раздробленности частиц дисперсной фазы характеризуется дисперсностью (или степенью дисперсности) D— величиной, обратной поперечному размеру частицы d (см-1): D=1/d.                                                                                                                 (I.1)

Чем выше степень дисперсности, тем больше общая поверх­ность раздела фаз. Мерой дисперсности системы может также служить удельнаяповерхностьS', под которой понимают отношение общей поверхности 5 дисперсной фазы к ее об­щему объему VS'=S/V=kD, (I.2) где k— коэффициент формы частиц.

Так, для шарообразной формы частиц дисперсной фазы при уменьшении размера частиц дисперсной фазы удельная поверх­ность возрастает. Например, при круглой форме частиц поверх­ность 1 см3 дисперсной фазы при диаметре частиц 1 мм составит 60 см2, при диаметре частиц 0,1 мм — 600 см2, а при диаметре частиц 0,01 мм — 6000 см2. Общая поверхность твердой фазы в промывочной жидкости и тампонажных смесях может достигать десятков и сотен квадратных метров на 1 г массы.

Дисперсность определяет многие свойства дисперсных си­стем, в частности водоотдачу и структурно-механические свой­ства промывочных жидкостей. По степени дисперсности системы делятся на высокодисперсные или коллоидные, если поперечный размер частиц находится в пределах 1•10-5—1•10-8 см, и грубодисперсные, если размер частиц больше. Дисперсность систе­мы характеризует ее устойчивость.

Как правило, размер частиц дисперсной фазы неодинаковый. В системе всегда встречаются более крупные и более мелкие частицы, но большинство частиц имеют размеры, близкие по ве­личине. Эти размеры частиц обусловливают в большинстве слу­чаев свойства системы и отнесение ее к той или иной группе. В то же время свойства дисперсной системы во многом зависят от содержания наиболее мелких, коллоидных частиц. Вид и объем твердой фазы определяют консистенцию (густоту) си­стемы.

Из грубодисперсных систем в качестве промывочной жидко­сти применяются суспензии, эмульсии и аэрированные жидко­сти (пены).

Суспензии представляют собой мутные жидкости с на­ходящимися в них во взвешенном состоянии частицами твердо­го вещества. Суспензии характеризуются неустойчивостью ком­понентов во времени. Частицы твердой фазы при прекращении движения под влиянием силы тяжести довольно быстро оседа­ют (седиментируют), система расслаивается.

Эмульсиями называются многофазные жидкие системы, в которых в одной жидкости находятся во взвешенном состоя­нии мельчайшие капельки другой жидкости. Эмульсии — также неустойчивые системы и могут существовать только при наличии поверхностно-активных веществ — эмульгаторов. Эмульсии раз­рушаются в результате коалесценции — укрупнения частиц дис­персной фазы при слиянии между собой.

Аэрированной жидкостью называется многофазная система, содержащая дисперсную фазу в виде пузырьков возду­ха. При высоком содержании воздуха, когда последний играет роль дисперсионной среды, такие жидкости называются пенами.

 

 


ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

 

 

Из всех дисперсных систем наиболее полно отвечают требо­ваниям, предъявляемым к промывочным жидкостям, коллоид­ные системы. Своеобразие физико-химических свойств коллоид­ных систем (или коллоидных растворов) определяется их разви­той поверхностью раздела на границе твердая фаза — дисперси­онная среда.

По молекулярно-кинетической теории внутреннее сцепление тел обусловлено силами взаимодействия молекул. Внутри тела, например жидкости, эти силы уравновешены: каждая молекула притягивает к себе соседние с такой же силой, с какой сама к ним притягивается. Силы же притяжения поверхностных моле­кул, например расположенных на поверхности раздела жид­кость— воздух, не уравновешены (рис. 1). В результате избытка сил притяжения со стороны жидкости молекулы с границы раз­дела стремятся втянуться внутрь жидкости, поэтому поверхность раздела стремится к уменьшению.

 

clip_image002clip_image002[1]clip_image002[2]clip_image004

     Рис. 1. Схема действия молекулярных сил:

a— на молекулу, находящуюся    внутри жидкости; б — на молекулу, расположенную в поверхностном слое.

 

 

 

Аналогичное явление происходит в любых дисперсных систе­мах. В связи с этим поверхностные молекулы на разделе фаз обладают некоторой некомпенсированной избыточной энергией, называемой поверхностной энергией. Некомпенсированность молекулярных сил в поверхностном слое жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимо­действия.

Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на 1 м2 поверхности, т. е. удельная поверхностная энергия, представляет поверхностное (межфазное) натяжение на границе раздела фаз.

Поверхностное натяжение σможно представить как работу образования 1 м2 поверхности, а также как силу, отне­сенную к единице длины контура, ограничивающего поверхность жидкости, и действующую в плоскости, касательной к этой по­верхности в сторону ее сокращения. Поэтому поверхностное на­тяжение измеряется в Дж/м2 или Н/м.

С повышением температуры поверхностное натяжение умень­шается. Поверхностная энергия может изменяться вследствие изменения удельной поверхности и поверхностного натяжения.

Из происходящих на поверхностях раздела фаз явлений, связанных с некомпенсированной поверхностной энергией, важ­ное значение для промывочных жидкостей имеет адсорб­ция— самопроизвольное повышение концентрации растворен­ного вещества на границе раздела фаз по сравнению с концен­трацией этого вещества во всем объеме дисперсной системы.

Вещество, на поверхности которого адсорбируются и удер­живаются молекулы другого вещества, называется адсорбен­том, а вещество, которое удерживается на поверхности адсор­бента,— адсорбтивом. Находящийся в дисперсионной сре­де адсорбтив в результате диффузии стремится равномерно рас­пределиться в объеме жидкости. При этом отдельные молекулы растворенного вещества сталкиваются с поверхностью твердой фазы, и, испытывая с ее стороны большое притяжение, адсорби­руются на ней. Оставшееся в жидкости растворенное вещество снова равномерно распределяется в объеме дисперсионной сре­ды. Происходит накопление вещества на поверхности адсор­бента.

Некоторые молекулы недостаточно прочно удерживаются по­верхностью твердого тела и отрываются от него, происходит яв­ление десорбции. Так происходит до тех пор, пока поверх­ность адсорбента насытится адсорбтивом и между адсорбцией и десорбцией наступит динамическое равновесие. Чем выше кон­центрация адсорбтива, тем выше адсорбция.

При адсорбции молекулы адсорбтива и среды являются кон­курентами. Следовательно, чем хуже адсорбируется среда на адсорбенте, тем лучше будет происходить адсорбция растворен­ного вещества на поверхности твердого тела. В первом прибли­жении можно считать, что чем выше поверхностное натяжение чистой среды, тем меньше способность ее молекул к адсорбции на твердом теле и тем лучше на ней будет адсорбироваться рас­творенное вещество.

Измеряется адсорбция количеством вещества в молях, ад­сорбировавшегося на 1 см2 поверхности, или количеством ад­сорбировавшегося вещества на 1 г адсорбента. Адсорбция со­провождается выделением тепла. Она вызывает изменение по­верхностного натяжения. Установлено, что в коллоидных системах различные растворенные вещества по-разному действуют на поверхностное натяжение.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называют­ся поверхностно-активными (ПАВ). Они играют боль­шую роль в формировании свойств промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

В ряде случаев физический процесс адсорбции сопровожда­ется химическим взаимодействием веществ — хемосорбцией,  которая обычно необратима.

Частицы дисперсной фазы в коллоидных системах в резуль­тате отчасти адсорбции, а отчасти прямого перехода ионов од­ной фазы дисперсной системы в другую заряжаются электриче­ством. Вследствие этого под воздействием разности потенциалов электрического поля в коллоидных системах возникает ряд электрокинетических явлений.

Если приложить разность потенциалов к двум точкам внутри какого-либо объема дисперсной системы, то между этими точ­ками возникнет движение коллоидных частиц и дисперсионной среды. Отрицательно заряженные частицы будут перемещаться к положительному полюсу, а положительно заряженные — к от­рицательному. Происходит явление электрофореза.

Когда пространство между электродами разделено перего­родкой, проницаемой для среды и непроницаемой для частиц, под действием электрического тока среда будет перемещаться в направлении одного из электродов, в то время как дисперсные частицы будут скапливаться и давить на перегородку с противо­положной стороны. Это явление получило название электро­осмоса. Электрофорез и электроосмос играют большую роль в усилении закрепляющего действия на стенки скважин некото­рых промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

Большое значение в характеристике дисперсных систем (осо­бенно коллоидных) имеет интенсивность молекулярного взаимо­действия между дисперсионной средой и дисперсной фазой на границе раздела фаз, что определяет явление смачиваемо­сти. Смачивание жидкостью твердого тела можно рассматри­вать как результат действия сил поверхностного натяжения. По интенсивности граничных молекулярных взаимодействий колло­идные дисперсные системы делятся на лиофильные и лио-фобные. Если дисперсионной средой является вода, системы соответственно называются гидрофильными и гидро­фобными.

Гидрофильные коллоидные системы характеризуются относи­тельной устойчивостью — стабильностью во времени. Частицы дисперсной фазы системы прочно связывают молекулы раство­рителя и также прочно их удерживают, т. е. гидрофильным кол­лоидным системам свойственно высокоинтенсивное молекуляр­ное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дис­персионной средой.

Частицы твердой фазы, например глины, в гидрофильной коллоидной системе сравнительно легко диспергируются, т. е. распадаются на элементарные частицы. В результате наруше­ния молекулярных связей поверхность частицы дисперсной фа­зы оказывается заряженной отрицательно. Молекулы воды, яв­ляясь диполями, притягиваются своими положительно заря­женными концами к отрицательно заряженной поверхности твердой частицы. Эта вода прочно связана с поверхностью час­тицы, обладает повышенной плотностью и вязкостью и не отде­ляется от нее даже при центрифугировании, создающем усилия, в тысячу раз превышающие силу тяжести. Так как электромоле­кулярные силы действуют на весьма небольшом расстоянии, толщина пленки не превышает 6•10-6 мм.

Молекулы связанной или адсорбированной воды, составляю­щие так называемую граничную фазу, оказывают притягиваю­щее и ориентирующее влияние на окружающие молекулы и ионы, в результате чего образуется диффузная оболочка (рис. 2). В пределах последней находятся отщепленные от твер­дой частицы и окруженные диполями воды катионы, образую­щие ионные «облака». В отличие от адсорбированной воды гра­ничной фазы воду в пределах диффузной оболочки называют лиосорбированной.

Вода в дисперсной системе, не связанная молекулярными си­лами взаимодействия с твердой поверхностью, называется сво­бодной водой. Чем интенсивнее диспергирована твердая фа­за, тем относительно большее количество связанной воды в си­стеме. Величина диффузного слоя зависит от концентрации со­лей (электролитов), всегда в каком-то количестве находящихся в дисперсионной среде. Если концентрация электролитов мала, то диффузный слой достигает значительной величины. С ростом концентрации электролитов диффузный слой сжимается, прибли­жаясь к границам адсорбционного слоя  (граничной фазы). Электрический заряд поверхности твердой частицы погаша­ется как в слое связанной (адсорбированной) воды, так и в диффузном слое. Отрицательно заряженная поверхность части­цы и катионы в диффузной оболочке совместно образуют двой­ной электрический слой. Падение напряжения на всем интервале между твердой поверхностью частицы и свободной водой назы­вается термодинамическимпотенциалом, а на участке диффузной оболочки — электрокинетическим потенциалом или z-потенциалом. Интенсивность электромолекулярного взаимодействия фаз в коллоидном растворе характеризуется величиной термодинамического потенциала ко­торая    зависит от общего    числа    адсорбированных    частицей ионов.

 

 

clip_image006

 

Рис. 2. Схема молекулярного взаимодействия сил в системе твердая частица — вода:

а - ориентация диполей воды  поверхностью твёрдой частицы; б - схема связанности воды в литосфере; - эпюра изменения молекулярных сил в зависимости от расстояния до поверхности минеральной частицы

         Адсорбированный и диффузный слои образуют вокруг твер­дой частицы гидратнуюоболочку, которая препятствует слипанию частиц между собой. В общем случае дисперсионной средой может быть и не вода. Тогда оболочка вокруг твердой частицы называется сольватной. Частица дисперсной фазы с оболочкой получила название мицеллы.

Гидратная оболочка развита неравномерно. Наибольшая ее толщина по плоским поверхностям частицы, наименьшая — на острых гранях и углах.. Гидратные оболочки характеризуют стабильность дисперсной системы, они предохраняют частицы твер­дой фазы от агрегирования и выпадения из раствора.

 

 


Гидрофобные коллоидные системы

 

Гидрофобные коллоидные системы характеризуются слабым молекулярным взаимодействием частиц дисперсной фазы с дис­персионной средой. Частица дисперсной фазы не имеет сродства с растворителем (не обволакивается прочной гидратной оболоч-

кой), поэтому гидрофобные дисперсные системы неустойчивы. Они могут быть стабилизированы путем создания на частицах дисперсной фазы адсорбционных слоев некоторых поверхностно-активных веществ. Такие вещества получили название стаби­лизаторов.

Адсорбция ПАВ — стабилизатора вызывает изменение свойств поверхности раздела фаз, усиление интенсивности мо­лекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дис­персионной средой. Мицелла стабилизированной гидрофобной системы представляет собой элементарную частицу, состоящую из частицы дисперсной фазы, адсорбционного слоя стабилизато­ра и многослойной гидратной оболочки с ориентированными мо­лекулами дисперсионной среды.

Гидрофобные коллоидные системы стабилизируют и добав­ками к ним некоторых гидрофильных коллоидов, получивших название защитных. Механизм защитного действия сводится к образованию вокруг коллоидной частицы адсорбционной обо­лочки из высокомолекулярного вещества. Защитное действие гидрофильные коллоиды могут оказывать и на грубодисперсные системы — суспензии.

Стабилизированные гидрофобные дисперсные системы объ­единяют большую группу промывочных жидкостей, дисперсная фаза которых представлена продуктами разрушения горных пород. Наряду с адсорбцией на поверхности частиц твердой фазы, главным образом глинистых, происходят следующие явле­ния: 1) ионный обмен (реакции замещения), когда в кристалли­ческой решетке минерала катионы замещаются катионами дис­персионной среды, 2) необменные замещения органических и неорганических катионов и целых групп; 3) присоединения, ког­да образуются новые химические соединения. Все эти процессы происходят одновременно, взаимно накладываясь. Они опреде­ляют механизмы ингибирования (снижения гидрофильности), стабилизации и коллоидной защиты в промывочных жидко­стях— дисперсных системах. Интенсивность всех явлений на по­верхности частичек твердой фазы возрастает с ростом дисперс­ности.

Эффективность применения промывочных жидкостей и тампонажных смесей как дисперсных коллоидных систем связана с их устойчивостью. Различают кинетическую (седиментационную), агрегативную и термодинамическую устойчивости.

Кинетическая устойчивость дисперсных систем обеспечивается двумя противоположными процессами — оседа­нием частиц под действием силы тяжести и броуновским движе­нием, при котором частицы равномерно распределяются по объ­ему. Чем выше степень дисперсности и температура, тем более кинетически устойчива такая система.

Агрегативная устойчивость определяет способность частиц дисперсной фазы не слипаться. Она является результа­том действия между коллоидными частицами двух противоположно направленных сил. С одной стороны действуют силы при­тяжения, под влиянием которых частицы слипаются, с другой стороны проявляются силы отталкивания, препятствующие сближению частиц и их соединению. Силы притяжения носят характер молекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовых сил). Силы отталкивания определяются электрическим взаимо­действием между ионами двойных электрических слоев, окру­жающих каждую частицу. Результирующая этих двух сил и обусловливает большую или меньшую агрегативную устойчи­вость коллоидной системы. Таким образом, агрегативная устой­чивость дисперсных систем определяется наличием, величиной и характером распределения гидратных оболочек на частицах твердой фазы.

Агрегативная устойчивость может быть также обеспечена на­личием на частицах дисперсной фазы адсорбционного слоя по­верхностно-активного вещества, препятствующего слипанию час­тиц при сталкивании.

Термодинамическую устойчивость предопреде­ляет наличие поверхностей раздела в дисперсных системах. Дисперсные промывочные жидкости и тампонажные растворы вследствие сильно развитой межфазной поверхности агрегатив-но неустойчивы и стремятся к равновесному состоянию с мини­мумом свободной энергии. Это практически приводит к разде­лению системы на две сплошные фазы. Устойчивость таких си­стем тем меньше, чем больше запас энергии на межфазной по­верхности. При наличии в системе стабилизаторов, способных адсорбироваться и понижать межфазное натяжение, свободная энергия уменьшается, а устойчивость системы возрастает.

По агрегативному состоянию и механическим свойствам дис­персные системы делятся на две группы: свободно-дисперсные (или бесструктурные) и связно-дисперсные (или структуриро­ванные).

Свободно-дисперсные системы отличаются по­движностью и не оказывают сопротивления сдвигу. Связно-дисперсная система, получившая название геля, отли­чается наличием сплошной пространственной структуры. Связ­но-дисперсная система обладает вязкостью, пластичностью, прочностью, упругостью и рядом других физико-механических характеристик, зависящих от свойств компонентов, ее состав­ляющих, и их количественного соотношения.

Для получения структуры в дисперсной системе наряду с Другими условиями требуется определенная концентрация твер­дой дисперсной фазы. Последняя зависит при прочих равных ус­ловиях от формы частиц дисперсной фазы. Наиболее благопри­ятной для образования структуры дисперсной системы является анизодиаметрическая форма частиц.

Пространственная структура связно-дисперсных систем при механическом воздействии (перемешивании) разрушается. Гель переходит в золь. В состоянии покоя структура восстанавливается. Золь переходит в гель. Процесс, связанный с созданием и  разрушением пространственной структуры, получил название тиксотропии.   Тиксотропия — изотермический  процесс.

Многочисленными опытами установлено, что тиксотропию дисперсных систем обеспечивают следующие факторы: 1) доста­точно большое число частиц дисперсной фазы, что облегчает по­строение пространственной структуры; 2) наличие коллоидной фракции частиц дисперсной фазы, играющей роль клея для грубодисперсных частиц; 3) не слишком высокая прочность струк­туры и ее способность к остаточным деформациям.

Тиксотропность — одна из важнейших характеристик промывочных жидкостей.

Из процессов, протекающих в дисперсных системах и харак­теризующих устойчивость систем, следует назвать коагуля­цию— укрупнение (слипание, слияние) частиц дисперсной фа­зы под действием молекулярных сил сцепления или сил тяже­сти. Образование геля обусловлено явлением коагуляции. Раз­личают коагуляцию гидрофильную и гидрофобную. К образова­нию пространственной структуры дисперсной системы приводит гидрофильная коагуляция. Гидрофобная коагуляция характери­зуется полным расслоением дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, причем частицы твердой фазы, лишенные гидрат-ных оболочек, соединяясь, образуют хлопья, которые выпадают в довольно плотный осадок. Слипание гидрофобных минераль­ных частиц в хлопья называют флокуляцией.

По характеру связей между отдельными элементами все структуры делятся на обратимые — коагуляционно-тиксотропные и необратимые — конденсационно-кристаллизационные. Первые обладают низкой прочностью и легко восстанавливаются во вре­мени под действием ван-дер-ваальсовых сил. Вторые обусловле­ны прочными химическими связями при непосредственном сцеп­лении частиц и разрушаются необратимо. Эти структуры харак­терны для большинства твердеющих тампонажных растворов.

Коагуляция вызывается различными причинами: старением, изменением концентрации дисперсной системы, температуры, ме­ханических воздействий, введением различных веществ. В разве­дочном бурении наибольшее значение имеет коагуляция, возни­кающая при поступлении в промывочную жидкость электроли­тов. При этом концентрация их в системе должна быть доста­точной для сжатия двойного электрического слоя и понижения энергетического барьера, препятствующего слипанию частиц при их столкновении. Минимальная концентрация электролита, при повышении которой начинается коагуляция, называется поро­гом коагуляции.

Процесс коагуляции дисперсных систем делится на скрытую и явную стадии. При скрытой коагуляции частицы постепенно теряют свою устойчивость, невооруженным глазом это явление не обнаруживается. Явная коагуляция характеризуется слипанием и агрегированием частиц под действием молекулярных сил притяжения вплоть до выпадения в осадок.

Дисперсность скоагулированной коллоидной системы можно восстановить, добавляя специальные адсорбирующие вещест­ва — пептизаторы. Процесс восстановления дисперсности в этом случае носит название пептизации. При этом повышается заряд частиц твердой фазы и происходит их диспергирование за счет электростатического отталкивания (ионные пептизаторы). Другие пептизаторы, сольватируя частицы, расклинивают их по трещинам на более мелкие. Пептизатор, адсорбируясь на по­верхности частиц дисперсной фазы, действует как стабилизатор. Вновь образовавшиеся на поверхности частиц твердой фазы адсорбционно-гидратные оболочки и пространственные двойные электрические слои начинают препятствовать сближению твер­дых частиц.

Охлаждение дисперсных систем затормаживает развитие процессов, способствующих пептизации и диспергированию. Очень сильное охлаждение, сопровождающееся замораживани­ем, часто приводит к коагуляции. Причиной ее при заморажива­нии является разрушение гидратной оболочки. При умеренном охлаждении и достаточно высоком содержании минеральных со­лей в жидкой фазе замораживания и коагуляции не происходит и дисперсная система нормально выполняет свои функции.

 

 


ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

 

Дисперсные системы обладают вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью — свойствами, которые получили на­звание структурно-механических. Эти свойства во многом опре­деляют эксплуатационные характеристики промывочных жидко­стей и тампонажных растворов.

Законы течения и деформации любого тела — предмет изу­чения реологии. Цель реологии — составить такую систему уравнений, которая бы связывала напряжения, деформации, ско­рости деформации и была применима для любых тел.

Любое тело изменяется, деформируется под действием внешних сил. Если деформация тела исчезает при устранении внешних сил, то тело и деформации называются упру­гими. Если тело после снятия нагрузки не принимает свою первоначальную форму, то это свидетельствует, что наряду с упругой деформацией существует и пластическая дефор­мация. Тело называется пластическим, если оно способно без разрушения переносить значительные пластические деформации, намного превосходящие упругие.

Поведение любого тела под воздействием внешних сил опре­деляется его внутренней структурой, величиной и скоростью воз­никновения напряжений, характером их изменения.

Коагуляционным структурам присуща сдвиговая высокая эластичность, которая имеется даже при жестких частицах дис­персной фазы, образующих пространственную сетку. Это связа­но с взаимной ориентацией анизодиаметричных частиц —пало­чек, пластинок или цепочек, образуемых изометричными части­цами в направлении сдвига. Каждому значению деформации сдвига соответствует определенная степень ориентации, непре­рывно возрастающая при деформации. Если напряжения, воз­никающие в коагуляционной структуре, не превышают предела текучести, при снятии нагрузки структура быстро восстанавли­вается. Высокоэластичные деформации коагуляционных струк­тур в тысячи раз и более превышают истинно упругие.

Оценка свойств промывочной жидкости, определяющих ее поведение при движении, связана в первую очередь с вяз­костью. Под вязкостью понимается свойство жидкости со­противляться относительному перемещению ее частиц. Таким образом, вязкость — мера внутреннего трения.

Рассмотрим движение жидкости между двумя параллельными плоскостями, одна из которых неподвижна, а другая перемеща­ется с постоянной скоростью и (рис. 3). Слой жидкости, приле­гающий к подвижной плоскости, будет перемещаться со ско­ростью и, а скорость частиц жидкости на неподвижной плоско­сти равна нулю. Движение от одного слоя жидкости к другому в направлении, перпендикулярном к движению, будет передаваться за счет сил внутреннего трения.

Чтобы сдвинуть одну плоскость относительно другой, нужно приложить к подвижной плоскости некоторую силу F, равную силе трения. Согласно теоретическим положениям Ньютона, сила Fпропорциональна поверхности соприкосновения S, ско-

рости и и обратно пропорциональна расстоянию между плоско­стями п:

 F =  μSu/n.                                                               (I . 3)

 

clip_image008

Рис.  3.    Изменение    скорости   Рис. 4. Реологические кривые:

жидкости по нормали. 1 — ньютоновская жидкость; 2 телоБингама; 3— тело Шведова

 

Если расстояние между двумя частицами рассматриваемого слоя жидкости бесконечно мало,

clip_image010                                                                            (I.4)

Если силу Fотнести к единице площади, то получится зна­чение так называемого касательного напряжения (закон жид­костного трения Ньютона)

clip_image012                                                              (I.5)

 

Здесь  μ — коэффициент внутреннего трения или динамиче­ской (абсолютной) вязкости; du/dn— градиент скорости сдвига.

Чаще  μназывается просто динамической или абсолютной вязкостью; размерность μ — Па•с.

Графически (рис. 4) закон Ньютона выразится прямой лини­ей ОС, проходящей через начало координат с угловым коэффи­циентом  Величина, обратная tgα, есть μ.

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. К ним можно отнести воду, истинные растворы, некоторые естественные промывочные жидкости и др. В систе­ме прямоугольных координат ньютоновские жидкости всегда ха­рактеризуются одним постоянным параметром — абсолютной вязкостью μ. Наряду с понятием абсолютной вязкости пользуют­ся и понятием кинематической вязкости vм2/с). Абсолютная и кинематическая вязкости связаны между собой отношением

v=μ/ρ,                                                                                                                 (I.6)

где р — плотность промывочной жидкости.

 

 


Ньютоновские жидкости

 

Жидкости, течение которых отклоняется от закона Ньютона, получили название неньютоновских.

При введении дисперсной фазы  в ньютоновскую жидкость до определенной величины объема вязкость будет увеличиваться и линейная зависимость между т и du/dnне будет нарушаться. По А. Эйнштейну, вязкость такой дисперсной системы μд в зависи­мости от концентрации определяется по выражению μд = μ(1+aСv), (I.7) где a — постоянный коэффициент, зависящий от формы частиц, для частиц круглой формы а = 2,5; СV— объемная концентрация дисперсной фазы.

Формула (I.7) получена в предположении, что раствор очень разбавленный, т. е. настолько, что расстояния между частицами весьма велики по сравнению с их размерами.

Однако при достижении определенного объема заполнения твердой фазы такая линейная зависимость нарушается, что вос­принимается как аномалия вязкости. В зависимости от вида дисперсной фазы и ее концентрации такие системы, часто назы­ваемые пластичными или вязко-пластичными, могут прибли­жаться по свойствам к жидким или твердым телам.

Благодаря возможности непрерывно восстанавливать разру­шенные контакты, дисперсные системы с коагуляционно-тиксо-тропной структурой способны при малых скоростях сдвига течь с высокой, но вполне измеримой вязкостью без заметного разру­шения внутренней структуры (ползучесть). С увеличением ско­рости сдвига не все разорванные связи успевают восстанавли­ваться, и тиксотропная система при каждом режиме течения ха­рактеризуется определенным динамическим равновесием между процессами разрушения и восстановления структуры. Зависи­мость прочности динамической структуры дисперсных систем от скорости сдвига и обусловливает непостоянство их вязкости, или аномалию вязкости.

Для того чтобы вывести тиксотропную промывочную жид­кость из состояния равновесия, требуется приложить определен­ное усилие. Поэтому на графиках (рис. 4) реологическая кривая таких жидкостей не проходит через начало координат и проч­ностные характеристики дисперсной системы можно оценивать количественно.

По Максвеллу, все реальные тела можно расположить в ряд между упруго-твердыми и маловязкими жидкостями по периоду релаксации. Под релаксацией понимают постепенное само­произвольное «рассасывание» упругих напряжений при постоян­ной деформации. Природа этого явления обусловлена непрерыв­ным хаотическим тепловым движением частиц тела, в результа­те которого рассеивается, переходя в тепло, запасенная при де­формировании упругая энергия. Период релаксации определяет время (в с), необходимое для уменьшения упругих напряжений в е раз (е — основание натуральных логарифмов). Период ре­лаксации λ= μ/E (I.8) где Е — модуль Юнга.

Отношение времени действия силы к периоду релаксации оп­ределяет поведение данного тела, как твердого, так и жидкого. При этом любая жидкость может рассматриваться как упругое тело, если время действия силы намного меньше периода ре­лаксации. Напротив, твердое тело обнаруживает способность течь, если время действия силы больше периода релаксации.

Можно было бы, например, ходить по воде, не погружаясь в нее, если бы время каждого шага не превышало периода ре­лаксации для воды, т. е. ничтожно малой величины по сравне­нию с измеримыми (для воды μ=0,001 Па•с, E=1•1010 Па, λ= 1•10-13 с). Для более вязких жидкостей периоды релакса­ции вполне измеримы. Напри­мер, для битумов и асфальтов их можно непосредственно из­мерить.

Следовательно, период ре­лаксации — основная констан­та, объединяющая свойства твердого тела и жидкости. Пе­риод релаксации имеет боль­шое значение для оценки ус-стойчивости промывочных жидкостей и нетвердеющих тампонажных растворов в трещинах горных пород при борьбе с по­глощениями.

Все дисперсные структурированные системы в реальных ус­ловиях обладают различными упругими, вязкими, пластически­ми свойствами. Желая подчеркнуть преобладание одних свойств над другими, вводят соответствующие названия тел (систем): уп­ругое, упруго-вязкое, упруго-вязко-пластичное, вязко-пластичное и т. д.

Судить о характере деформационных процессов, протекаю­щих в системе, позволяют механические модели, которыми ус­ловно представляют реальные жидкости или тела. Модели отра­жают наиболее существенные свойства реальных тел. Упругое тело изображается пружиной, мгновенно изменяющей длину в за­висимости от величины приложенной силы (рис. 5, а), вязкое тело моделируется невесомым поршнем, свободно двигающимся в цилиндре с вязкой жидкостью (рис. 5,6). Пластическое тече­ние моделируется элементом сухого трения — ползуном (рис. 5, в). Более сложные реологические тела моделируются комбинацией приведенных моделей, например, вязко-пластичное тело состоит из параллельно соединенных поршня и ползуна (рис. 5,г). Каждое тело (модель) получило название по имени первого исследователя.

Количественную оценку деформационного и релаксационного процессов дисперсных систем, объединяющих все промывочные жидкости и тампонажные растворы, дают константы обобщенно­го уравнения Максвелла — Шведова и Кельвина. Относитель­ная деформация, развивающаяся за время tпри нагрузке Р =const,clip_image014

 

                                                    (I.9)

Здесь Е1 – условно-мгновенный модуль упругости, соответст­вует быстрой эластической деформации ε'о, развивающейся под действием нагрузки Р и исчезающей после разгрузки; Е2эла­стический модуль, характеризующий способность системы к мед­ленным  эластическим  деформациям  ε'2 , развивающимся после завершенной условно-мгновенной деформации; PK1 — ус­ловно-статический предел текучести, при напряжениях ниже пре­дела текучести наблюдается упругость, упругое последействие и весьма замедленное течение с максимальной вязкостью;  η1— наибольшая пластическая вязкость; η2— вязкость упругого пос­ледействия, определяющая интенсивность развития эластической деформации.

Согласно уравнению (I.9), относительная суммарная дефор­мация состоит из быстрой эластической ε0/ = Р/Е1 медленной эластической    ε/2 = Р/Е2    и     пластической     деформации     εt=

= .(P-Pki)/η1t

Используя приведенные константы физико-химической меха­ники дисперсных систем, можно для любого технологического процесса получить величины основных структурно-механических характеристик: эластичности Э=Е1/ 1 + Е2), пластичности Pk1/ η1 и периода истинной релаксации λ.

По соотношению величин деформаций εо, ε2и ε1t можно на научной основе оценить устойчивость дисперсной системы и ее пригодность для нужд бурения. Однако получение такой инфор­мации довольно сложно и требует высокой квалификации ис­следователя. Поэтому в прикладных исследованиях описание деформационных процессов, происходящих в дисперсных систе­мах, упрощают.

 

 


Тела Бингама и Шведова

 

Считается, что все структурированные промывочные жидко­сти и тампонажные растворы относятся либо к пластичным (телу Бингама), либо к вязко-пластичным (телу Шведова) жид­костям. Реологическая зависимость этих систем на графиках (см. рис. 4) не проходит через начало координат. Величина ка­сательного напряжения, при котором структурированная дис­персная система выходит из состояния равновесия и начинает двигаться, получила название предельного статического напря­жения сдвига 9 (в Па). Поскольку структура жидкости после перемешивания восстанавливается не мгновенно, величина 9 может значительно изменяться в зависимости от продолжитель­ности пребывания жидкости в покое. Как правило, в большин­стве структурированных промывочных жидкостей структура полностью стабилизируется в течение 10—15 мин. В тампонаж­ных растворах прочность структуры растет до окончания твердения (упрочнения) так как этот процесс сопровождается хими­ческим взаимодействием компонентов.

Правильное описание напряжений сдвига для структуриро­ванных систем имеет важное значение как для оценки гидрав­лических сопротивлений, так и для обеспечения нормальных ус­ловий очистки забоя скважин от выбуренной породы.

Зависимость, предложенная Бингамом, имеет вид (см. рис. 4, прямая АС\)

 

clip_image016

 

 

где τ— приложенное касательное напряжение, Па; θ — предель­ное статическое напряжение сдвига (для краткости его принято называть статическим напряжением сдвига); η — коэффициент структурной вязкости   (или структурная вязкость), Пас.

Зависимость (1.10) означает, что сопротивление сдвигу смеж­ных слоев структурированной дисперсной системы следует рас­сматривать как сумму двух величин:

1)              напряжений, не зависящих от скорости сдвига;

2)     напряжений, пропорциональных градиенту скорости сдви­га и подобных вязкостным напряжениям в обычных жидкостях.

Таким образом, жидкость, подчиняющаяся закону трения Бингама, характеризуется двумя параметрами: θ и η.

Зависимость ВС2 (см. рис. 4) представляет собой форму рео­логической кривой жидкостей, относящихся к телу Шведова, Она состоит из двух участков: криволинейного и прямолинейно­го. Размеры и форма криволинейного и угол наклона прямоли­нейного участка реологической кривой могут быть различны, и, строго говоря, для каждой жидкости должна быть найдена своя характерная зависимость:

 

clip_image018

 

Без существенного ущерба для практики сложную зависи­мость ВС2 представляют прямой линией DC2, полученной про­должением прямолинейного участка до пересечения с осью каса­тельных напряжений. Прямая DC2выражает обобщенный закон трения Шведова — Бингама:

clip_image020

 

 

               Здесь τ0 — динамическое напряжение сдвига.

Динамическое напряжение сдвига — понятие условное, так как эту величину измерить непосредственно на каком-либо при­боре невозможно. Она может быть определена либо графиче­ским (отрезок OD), либо расчетным путем.

В большинстве случаев динамическое напряжение сдвига больше статического θ, однако бывает и наоборот. Это свиде­тельствует о более сложном характере поведения дисперсных си­стем. Наибольшее расхождение между τ0 и θ в дисперсных си­стемах с значительным содержанием высококоллоидных фрак­ций.

Таким образом, уравнение (1.11) дает упрощенное описание зависимости градиента скорости течения от напряжения сдвига для вязко-пластичной жидкости. Для более полной характери­стики реологической кривой необходимо знать три постоянных параметра θ, τ0, η.

Имеется обобщенная характеристика вязкостных свойств структурированных дисперсных систем, которая учитывает пластические свойства этих систем в соответствии    с    законом Шведова — Бингама. Если (согласно закону Ньютона) опреде­лить вязкость как отношение величины приложенного касатель­ного напряжения к величине градиента скорости сдвига, то уравнение (I.10) можно представить в следующем виде:

 

clip_image022

 или

 clip_image024

 Обозначив

clip_image026

 получим

 clip_image028

где ηо — эффективная вязкость.

Графически (см. рис. 4) η0выражается величиной, обратной коэффициенту наклона прямой, проведенной из начала коорди­нат к любой точке (например, М12) реологических кривых {АС1 и ВС2). В отличие от величины т], которая остается посто­янной на всем протяжении участка АС1 и DC2,величина ηобудет меняться в каждой новой точке.

Соответственно для кривой, характеризующейся зависи­мостью (I.11), значение эффективной вязкости.

clip_image030

 

 зависи­мостью (I.11), значение эффективной вязкости

Эффективная вязкость с ростом градиента скорости сдвига изменяется от вязкости практически не разрушенной структуры до вязкости предельно разрушенной структуры, которая опреде­ляется главным образом вязкостью дисперсионной среды. На­пример, для глинистых растворов вязкость практически не раз­рушенной структуры составляет миллионы Пас, а вязкость пре­дельно разрушенной структуры — сотые и десятые доли Пас, т. е. теоретический диапазон изменения эффективной вязкости чрезвычайно широк.

Практически значимый диапазон изменения эффективной вяз­кости гораздо меньше, так как стадия изменения ее от практиче­ски не разрушенной структуры до какого-то промежуточного со­стояния разрушения проходит в момент начала течения дисперс­ной системы мгновенно.

В гидравлических расчетах, связанных с течением вязко-пластичных жидкостей в трубах,η0 =η+ τ0d/6и,(I.17)

clip_image032

 

               Рис  6.  Общий  вид зависимости эф-                    Рис.  7.      Реологические зависимости

              фективной    вязкости     от    градиента                    неньютоновских жидкостей:

                  скорости сдвига                                                              1 — пластичная;  2 — псевдопластичная;

                                                                                                                            3 —неньютоновская; 4 — вязко-пластичная жид­кость;

                               5 — тиксотропно-пластичная жид­кость; 

                                 6 — тиксотролная

где d— диаметр трубы (потока жидкости); и — средняя ско-рость движения жидкости.

Приближенный характер изменения эффективной вязкости глинистого раствора с ростом градиента скорости сдвига показан на рис. б.

Эти упрощенные представления о характере деформации в дисперсных системах позволяют более оперативно получать простые параметры, которые можно использовать при оценке техно­логических свойств промывочных жидкостей и тампонажных смесей, а также при гидравлических расчетах.

За рубежом реологическую зависимость для промывочных жидкостей представляют в степенном виде. Так, по Р. И. Уол-керу,

 

clip_image034

 

где т и r— константы изучаемой промывочной жидкости, опре­деляемые опытным путем.

Коэффициент т характеризует консистенцию раствора и по­зволяет интерпретировать его вязкость. Показатель   степени   rхарактеризует отклонение поведения жидкости от ньютоновской.. Для воды и других ньютоновских жидкостей r-1.

Коэффициенты тиrопределяются графическим методом, для чего строится график  τ=f(du/dn). Для определенных значе­ний градиента скорости сдвига находятся т, а rопределяют по углу наклона кривой.

И. Н. Гуднин предлагает использовать обобщенное уравне­ние:

 

clip_image036

 

которое, по его мнению, более точно отражает действительную взаимосвязь напряжений сдвига и других параметров структури­рованных систем.

Все это свидетельствует о том, что в описании поведения структурированных систем ученые не пришли пока к единому мнению. В бурении до сих пор пользуются наиболее простым описанием — законом Шведова — Бингама и вытекающими из него зависимостями. Это, конечно, не исключает использования других закономерностей.

В заключение необходимо отметить, что термин «неньютоновская жидкость» охватывает целую группу жидкостей, реологиче­ские зависимости которых отклоняются от прямолинейной, вы­ходящей из начала координат. На рис. 7 приведены реологиче­ские зависимости некоторых неньютоновских жидкостей, свиде­тельствующие о сложности явлений, происходящих в промывоч­ных и тампонажных системах при деформации, и о приближен­ности их описания.

 

 

 


Очистка забоя скважины от продуктов разрушения горных пород и вынос их на поверхность

 

В процессе бурения горные породы на забое скважины раз­рушаются с образованием частиц различных размеров. Эти час­тицы называют также шламом. Размер частиц зависит от спо­соба бурения, вида породоразрушающего инструмента, твердо­сти породы, количества и качества промывочной жидкости.

Вся выбуренная порода сразу же должна удаляться с забоя и из ствола скважины. Даже небольшое количество частиц, ос­тавшихся на забое, снижает скорость бурения, так как происхо­дит дополнительное измельчение уже выбуренной породы и, кроме того, излишне изнашивается породоразрушающий инстру­мент. Мелкие частицы переходят в промывочную жидкость в ка­честве активной твердой фазы, увеличивая плотность и вязкость жидкости, ухудшая ее качество.

Качество очистки забоя скважины зависит от степени турбулизации жидкости в призабойной зоне, что, в свою очередь, за­висит от вида, свойств и количества промывочной жидкости. Чем выше степень турбулизации, тем лучше и быстрее очищает­ся забой скважины от выбуренной породы. На характер течения жидкости в призабойной зоне скважины существенно влияет вращение бурового снаряда, а также конструкция и расположе­ние промывочных окон в породоразрушающем инструменте. Влияние каждого фактора можно оценить, выполнив соответст­вующие гидравлические расчеты.

После удаления с забоя скважины выбуренная порода долж­на быть вынесена на поверхность. Накопление ее в стволе сква­жины приводит к повышенному износу бурильного инструмента и может вызвать сальникообразование (осаждение частиц поро­ды на соединениях бурильных труб в виде массивных хлопьев) и прихват труб.

Полный вынос частиц обеспечивается при условии, что их скорость падения в жидкости под действием силы тяжести меньше, чем скорость подъема жидкости. Скорость падения частиц уменьшается с ростом вязкостных свойств и плотности промы­вочной жидкости. Однако увеличение указанных параметров приводит к ухудшению условий очистки забоя, росту гидравли­ческих сопротивлений в циркуляционной системе скважины. Ско­рость падения частиц зависит и от их формы. Частицы плоской формы падают медленнее, чем шарообразные. Так как форма частиц выбуренной породы не регулируется, полный вынос час­тиц достигается в основном регулированием скорости восходя­щего потока промывочной жидкости.

 

Охлаждение породоразрушающего инструмента и бурильных труб

 

В процессе бурения происходит нагрев породоразрушающего инструмента за счет совершаемой на забое механической рабо­ты. По данным Л. А. Шрейнера, физический к. п. д. разруше­ния породы при бурении не превышает 0,01%, поэтому основной объем механической энергии переходит в тепловую. Промывоч­ная жидкость, омывая породоразрушающий инструмент, в ре­зультате конвективного обмена отводит тепло. Эффективность охлаждения зависит от расхода промывочной жидкости, ее теплофизических свойств и начальной температуры, а также от размеров и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента.

Промывочная жидкость охлаждает и бурильные трубы, на­гревающиеся вследствие трения о стенки скважины, а также уменьшает их износ.

Промывочные жидкости обладают относительно высокой теплоемкостью, поэтому функция охлаждения выполняется даже при небольших расходах их.

 

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии

 

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном со­стоянии в промывочной жидкости, находящейся в скважине, не­обходимо для предотвращения прихватов бурильного инструмен­та при прекращении циркуляции. Для выполнения этой функции промывочная жидкость должна обладать тиксотропными свойст­вами, превращаться при отсутствии движения в гель с образо­ванием структуры, обладающей некоторой прочностью. Проч­ность структуры ее оценивается величиной статического напря­жения сдвига.

Удельный вес породы γп больше удельного веса промывочной жидкостиγж. В силу этого частица стремится падать вниз, и в жидкости, окружающей частицу, возникают касательные напря­жения:

                              τ=G/S,                                                                 (II.1)

где Gвес частицы в растворе; S — площадь поверхности час­тицы.

Сила сопротивления промывочной жидкости движению части­цы вниз, приходящаяся на единицу площади, есть не что иное, как статическое напряжение сдвига 9.

Для упрощения рассуждений примем частицу шарообразной формы с диаметром шара d. Тогда вес частицы в промывочной жидкости

В реальных условиях для предупреждения осаждения частиц напряжения на поверхности частицы при ее движении должны превосходить θ, что учитывается коэффициентом т. По экспе­риментальным данным АзНИИ, значение т зависит от размера частиц и с ростом их диаметра увеличивается. При диаметре частицы до 2 мм m= 2,5÷З.

Тогда формула (П.4) будет иметь вид

Частицы выбуренной породы могут иметь самую различную форму, но с точки зрения удержания их во взвешенном состоя­нии круглая форма —самая неблагоприятная.

Из выражения   (II.5)   получим предельный размер частицы, не тонущей в растворе,

Из уравнения (II.5) можно определить требуемую величину статического напряжения сдвига, которая обеспечит удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии.

 

 


Физико-химическое воздействие на разрушаемые горные породы

 

Промывочная жидкость должна облегчать процесс разруше­ния горных пород на забое скважины. Активное воздействие ее обусловлено главным образом размывающим действием и пони­жением твердости горных пород в присутствии поверхностно-активных веществ, находящихся в растворе. Размыв горных по­род происходит за счет кинетической энергии потока промывочной жидкости на выходе из бурового снаряда. Эффект усиливается путем подбора площади сечения и мест расположения каналов, через которые жидкость выходит на забой скважины. Эта функция промывочной жидкости наиболее эффективна в породах рыхлого комплекса.

 clip_image041


Рис. 8. Развитие зон предразрушения при воздействии различных промы­вочных жидкостей:1 — малоактивная жидкость; 2 — активная жидкость; 3 — зоны предразрушения

 

Вследствие некоторых осо­бенностей строения горных по­род при использовании промы­вочных жидкостей в процессе бурения уменьшается проч­ность пород на забое скважи­ны. Общеизвестно, что проч­ность породы рыхлого комп­лекса при смачивании умень­шается. При бурении крепких пород с промывкой также сни­жается их прочность, но сущ­ность явления здесь иная.

Все реальные твердые тела, как отдельные кристаллы, так и поликристаллические агрегаты, содержат множество неоднородностей, начиная от дефектов или слабых мест в структуре кри­сталла и кончая микротрещинами различных размеров как в са­мих кристаллах, так и на их контактах. В процессе механиче­ского разрушения горных пород это приводит к образованию так называемой зоны предразрушения — зоны повышенной трещиноватости. Большая часть микротрещин при снятии нагруз­ки смыкается. В наиболее крупные трещины этой зоны прони­кает промывочная жидкость, препятствуя их смыканию. Однако в целом твердость горной породы, ее буримость в зоне предраз­рушения практически изменяются несущественно.

Активность промывочной жидкости может быть повышена путем небольших добавок к ней специальных веществ — пони­зителей твердости. Дисперсионная среда промывочной жидкости с понизителями твердости более интенсивно проникает по заро­дышевым микротрещинам в зоны предразрушеиия, образуя на поверхностях трещин адсорбционные пленки.

Можно выделить три основных действия, лежащие в основе механизма понижения твердости горных пород.

1.   Экранирование сил сцепления, действующих между проти­воположными поверхностями зародышевых микрощелей посред­ством прослоек, образованных адсорбционными слоями.

2.    Активное раздвигающее действие  самих  адсорбционных прослоек во всех тех наиболее узких    участках    клиновидных микрощелей, куда только эти прослойки могут проникать.

3. Затруднение смыкания зародышевых участков микроще­лей под влиянием адсорбционных слоев и сольватных пленок жидкости после снятия внешних усилий.

Зона предразрушения (рис. 8) в результате влияния понизи­телей твердости развивается весьма существенно, трещиноватость в ней возрастает, микротрещины становятся глубже, чис­ло их в единице объема увеличивается. Адсорбция ПАВ на по­верхностях микротрещин приводит к снижению свободной по­верхностной энергии тела и, как следствие, уменьшению необхо­димой для разрушения работы, повышению скорости бурения.

Эффективность действия понизителей твердости зависит от их химической природы и концентрации, от механических усло­вий разрушения и физико-химических свойств горных пород.

 

Сохранение устойчивости стенок скважины

 

Сохранение устойчивости стенок скважины — непременное условие нормального процесса бурения. Причина обрушения сте­нок— действие горного давления. Смачивание горных пород рыхлого комплекса в процессе бурения с промывкой резко уменьшает прочность стенок скважины и, следовательно, их ус­тойчивость. Чем дальше распространяется зона смачивания, тем интенсивнее идет процесс разрушения стенок. Этот процесс уси­ливается вследствие размывающего действия промывочной жид­кости, наличия в ней веществ, способствующих разрушению гор­ных пород.

Нежелательное изменение свойств пород устраняется подбо­ром рецептуры промывочной жидкости. В частности, в нее вво­дят компоненты, придающие ей крепящие свойства. Кроме того, ряд промывочных жидкостей содержит твердую фазу, которая, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах, образует малопроницаемую для жидкой фазы корку. Такая корка, обла­дая определенной механической прочностью, связывает слабосцементированные частицы горных пород, замедляет или пол­ностью останавливает процесс дальнейшего распространения смоченной зоны вокруг ствола скважины.

Сохранению устойчивости стенок скважины способствует гидростатическое давление промывочной жидкости. Однако с его ростом увеличивается интенсивность проникновения промывоч­ной жидкости в горные породы, падает механическая скорость бурения. В этих условиях еще более повышается изолирующая и закрепляющая роль фильтрационной корки.

Большее значение гидростатическое давление промывочной жидкости приобретает при бурении трещиноватых пород, а так­же пород и минералов, обладающих свойством медленно выдав­ливаться в скважину под действием горного давления (например, соли: галит, карналлит и др.). Создание достаточно высокого гидростатического давления позволит сохранить устойчивость стенок скважины в таких условиях.

 

 


Сохранение проницаемости продуктивных горизонтов

 

Эта функция промывочной жидкости важна при разведоч­ном бурении скважин на жидкие и газообразные полезные ис­копаемые. Б таких скважинах обязательно проводятся исследо­вания по оценке запасов и возможных дебитов скважин. Часть скважин может впоследствии использоваться в качестве экс­плуатационных.

Так как в процессе фильтрации промывочных жидкостей на поверхности горных пород и в устьевых частях пор и трещин откладывается корка из частиц твердой фазы, продуктивность пласта в прискважинной зоне уменьшается. Это приводит к сни­жению дебита скважин, искажению подсчетов запасов, непра­вильной оценке проницаемости горных пород. Причем уменьше­ние проницаемости прискважинной зоны может оказаться не­обратимым. Во избежание отрицательного воздействия жидко­сти на продуктивный пласт корка должна легко разрушаться, а твердые частицы вымываться из каналов фильтрации. Это достигается подбором вида твердой фазы промывочной жидко­сти и введением специальных компонентов.

 

Создание гидростатического равновесия в системе пласт скважина

 

В процессе бурения скважина и вскрытый пласт образуют систему пласт — скважина. Промывочная жидкость давит на стенки скважины. Жидкости или газ, находящиеся в пласте, также давят на стенки скважины, но со стороны пласта. По­скольку жидкости соприкасаются друг с другом через каналы фильтрации, пронизывающие стенки скважины, пласт и сква­жина представляют собой сообщающиеся сосуды.

Если в процессе бурения давление в скважине больше плас­тового, будет наблюдаться уход промывочной жидкости в пласт — поглощение. Это приводит к различного рода осложне­ниям впроцессе бурения: снижается уровень жидкости в сква­жине, что может вызвать обвалы стенок, теряется дорогостоя­щая промывочная жидкость; осложняется контроль за процес­сом промывки; загрязняются подземные воды.

Если пластовое давление больше гидростатического давления промывочной жидкости, возникает водопроявление — жидкость из скважины поступает на поверхность. Это также приводит к нежелательным последствиям: загрязняется прилегающая к скважине территория, резко ухудшается качество промывочной жидкости, что вызывает обрушение (или пучение) стенок сква­жин.

В процессе бурения давление жидкости в скважине изменя­ется: к гидростатическому добавляется давление, величина ко­торого зависит от выполняемых в скважине технологических операций. Поэтому возможны условия, когда  при бурении поглощение периодически перемежается с водопроявлением, что также отрицательно сказывается на функциях промывочной жидкости.

Обеспечение равенства давлений в системе пласт — скважи­на в процессе бурения позволит избежать нежелательных ос­ложнений при вскрытии проницаемых горных пород.

 

Предохранение бурильного инструмента и оборудования от коррозии и абразивного износа

 

Коррозия бурильного инструмента и оборудования вызывает­ся в основном действием солей, а также кислорода воздуха, растворенных в промывочной жидкости. Реже коррозия проис­ходит под действием сероводорода, поступающего в промывоч­ную жидкость из горных пород.

Абразивный износ вызывается твердыми частицами, попа­дающими в промывочную жидкость либо при приготовлении, либо в процессе бурения. Совместное действие абразивного из­носа и коррозии усиливает процесс разрушения металла, при­водит к преждевременному выходу из строя инструмента и обо­рудования, поломкам и авариям. Поэтому при выборе промы­вочной жидкости необходимо учитывать ее коррозионную и аб­разивную активность. Коррозионную активность снижают вве­дением специальных добавок — ингибиторов коррозии. Для уменьшения абразивного износа промывочные жидкости следу­ет регулярно очищать на поверхности от твердых абразивных частиц.

 

Антивибрационные функции

 

При повышении частоты вращения бурильного инструмента наблюдается вибрация бурильных труб. Она приводит к полом­кам труб и породоразрушающего инструмента, преждевремен­ному износу буровых станков. Особенно актуально предупреж­дение вибрации при алмазном бурении, где высокая частота вращения породоразрушающего инструмента — главный резерв повышения механической скорости бурения.

Один из наиболее прогрессивных методов предупреждения вибрации бурового снаряда — придание промывочным жидко­стям виброгасящих свойств. Это достигается введением вних специальных органических или комбинированных добавок, вре­зультате чего образуется эмульсия, обладающая смазочными свойствами. Промывочные жидкости с антивибрационными свойствами обеспечивают ряд дополнительных положительных эффектов: увеличение механической скорости, повышение стой­кости бурильных труб и породоразрушающего инструмента,, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных труб, снижение потерь напора при циркуляции.

 

clip_image042


Закупоривание каналов ухода

 

Промывочная жидкость должна обладать закупоривающи­ми свойствами. Это достигается введением измельченных ве­ществ, получивших название наполнителей. Отлагаясь в сужени­ях трещин, частицы наполнителя создают каркас, на котором осаждается твердая фаза, формируя изоляционные тампоны. Постепенно такие тампоны смыкаются, образуя в поглощающем пласте вокруг скважины водонепроницаемую завесу.

Частицы наполнителя должны равномерно распределяться в жидкости, поэтому необходимо, чтобы жидкость обладала опре­деленной структурой, препятствующей осаждению наполнителя. Размеры частиц наполнителя и его концентрация не должны су­щественно ухудшать работу буровых насосов.

 

Перенос энергии от насосов к забойным механизмам

 

Для эффективной работы забойных механизмов (турбобу­ров, гидроударников, винтовых двигателей) требуется опреде­ленная энергия, которая переносится от бурового насоса, уста­новленного на поверхности, к забою скважины. Количество этой энергии определяется техническими характеристиками за­бойных механизмов и условиями бурения. Энергия, затрачивае­мая на привод бурового насоса, расходуется, кроме того, на преодоление гидравлических сопротивлений при циркуляции промывочной жидкости в скважине.

Технические возможности насосов ограничены, поэтому ко­личество подведенной к забойному двигателю энергии будет за­висеть от потерь напора при циркуляции промывочной жидко­сти. Потери зависят при прочих равных условиях от подачи на­соса и реологических свойств жидкости. Так как на подачу на­соса влияют геологические условия бурения и расход жидкости, требуемый для устойчивой работы забойного механизма в нуж­ном режиме, главным регулирующим фактором энергетических затрат остаются реологические свойства промывочной жидко­сти. Поэтому при использовании забойных механизмов стремят­ся максимально уменьшать реологические параметры промывоч­ных жидкостей, учитывая при этом и другие их функции.

 

Обеспечение проведения геофизических исследований

 

При бурении разведочных скважин и по достижении проект­ной глубины обязательно проводится комплекс геофизических исследований, позволяющих уточнить геологический разрез и из­мерить ряд важных характеристик пласта. Эффективность та­ких исследований зависит от качества промывочной жидкости. Так, при повышенных реологических параметрах геофизические приборы могут зависать в скважине, в то время как бурильный инструмент опускается свободно. В отдельных случаях параметры промывочных жидкостей влияют и на показания приборов. Все эти обстоятельства должны учитываться при выборе качест­ва промывочной жидкости.

 

Сохранение теплового режима скважин в многолетнемерзлых породах

 

При бурении скважин в слабосвязанных многолетнемерзлых породах чрезвычайно важно предотвратить нагрев пород в при-скважинной зоне. Нарушение теплового режима (растепление) горных пород, слагающих стенки скважин, приводит к их обру­шению, образованию просадочной воронки в приустьевой части скважины с потерей устойчивости наземных сооружений, в уже обсаженных скважинах могут деформироваться и полностью разрушиться обсадные трубы.

В многолетнемерзлых породах промывочная жидкость долж­на иметь минимальную теплоемкость и теплопроводность. Темпе­ратура промывочной жидкости должна быть ниже температуры разбуриваемых пород, поэтому ее следует охлаждать, особенно в летнее время.

При бурении льдистых (насыщенных льдом) пород разру­шение льда, цементирующего породы, происходит и в промывоч­ных жидкостях, имеющих отрицательную температуру. В таких условиях особое значение приобретают режим промывки и мак­симально возможное сокращение времени контакта промывоч­ной жидкости с горными породами. Следует обеспечить режим течения промывочной жидкости, исключающий или уменьшаю­щий перемешивание в скважине пристенной части потока жид­кости со всем ее объемом. Это в свою очередь зависит от вида и свойств промывочной жидкости.

При выборе промывочной жидкости для бурения в многолет­немерзлых породах следует иметь ввиду, что при прекращении циркуляции возможно образование мерзлых пробок по стволу скважины, приводящее к прихватам бурильного инструмента.

Таким образом, функции, которые должна выполнять промы­вочная жидкость, предъявляют к ней ряд требований, которые нередко оказываются прямо противоположными. Так, при по­вышении гидростатического давления в скважине для предот­вращения обвалов и водопритоков ухудшаются условия разру­шения горных пород на забое скважины, снижается механиче­ская скорость бурения, ухудшается работа насосов. При умень­шении скорости движения промывочной жидкости в зазоре меж­ду керном и колонковой трубой с целью повышения выхода кер­на часто ухудшаются условия очистки забоя скважины от про­дуктов разрушения и в итоге снижается механическая скорость бурения.

Конечно, далеко не всегда промывочная жидкость должна выполнять все перечисленные функции и удовлетворять всем требованиям. Чаще особенности геологического разреза и физико-механические свойства горных пород в районе работ обуслов­ливают некоторые функции 'промывочной жидкости как глав­ные, а остальные — как второстепенные, подчиненные. Соответ­ственно дифференцируются и требования. Поэтому в каждом районе разведочных работ промывочная жидкость подбирается с учетом конкретных геолого-технических условий бурения. Это, в свою очередь, определяет разнообразие существующих видов промывочных жидкостей, обусловливает необходимость разра­ботки новых рецептур и совершенствование уже используемых промывочных жидкостей.

 

 

 


КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

 

Классификации облегчают выбор промывочной жидкости при бурении. При этом определяющим моментом должны служить характерные признаки раствора и условия его применения. Единственной приемлемой во всех отношениях классификации промывоч­ных жидкостей нет. Сложность заключается в том, что некото­рые промывочные жидкости представляют собой дисперсные системы уже в исходном виде, другие можно относить к дис­персным системам лишь после циркуляции в скважине. Дис­персная фаза таких жидкостей представлена частицами разбу­риваемых горных пород. Причем в ряде случаев стремятся уве­личить содержание этой твердой фазы и ее дисперсность для получения промывочной жидкости с другими свойствами.

В промывочных жидкостях, которые уже в исходном виде представляют собой дисперсные системы, в процессе бурения изменяется состав дисперсной фазы. Нередко это изменение про­исходит не столько за счет увеличения количества компонентов, сколько вследствие активного физико-химического воздействия поступающих в жидкость частиц с дисперсионной средой. Для поддержания качества промывочной жидкости в нее добавляют так называемые химические реагенты, в дисперсной системе по­являются новые компоненты.

В практике разведочного бурения в качестве исходных про­мывочных жидкостей используются:

1)            вода;

2)            водные растворы;

3)            водные дисперсные системы на основе:

добываемой твердой фазы  (глинистые, меловые, сапропеле­вые, комбинированные растворы);

жидкой дисперсной фазы (эмульсии); конденсированной твердой фазы;

выбуренных горных пород (естественные промывочные жид­кости) ;

4)            дисперсные системы на углеводородной основе;

5)            сжатый воздух.

В исключительных условиях для промывки скважин исполь­зуются углеводородные жидкости (дизельное топливо, нефть).

Все дисперсные системы с твердой фазой могут быть с ма­лым (до 7%), нормальным (до 20—22%) и повышенным содер­жанием (более 20—22%) твердой фазы.

Промывочные жидкости в определенных условиях искусст­венно насыщаются воздухом и переходят в категорию аэрирован­ных. В воде и водных растворах воздух в зависимости от его содержания может выступать в качестве дисперсной фазы или дисперсионной среды. В последнем случае промывочные жидко­сти называют пенами.

Промывочные жидкости с водной средой делятся по степени и составу минерализации. По степени минерализации промывоч­ные жидкости могут быть: 1) слабоминерализованными (менее 3%), 2) среднеминерализованными (3—10%), 3) высокомине­рализованными (более 10% ). По составу минерализации они клас­сифицируются в соответствии с названием соли, содержание ко­торой является наибольшим — хлорнатриевая, 'хлоркальциевая, силикатная и т. д. Промывочные жидкости могут быть устойчи­выми к действию солей и неустойчивыми. В первом случае их называют солеустойчивыми.

По особенностям поведения в условиях повышенных забой­ных температур промывочные жидкости делятся на термоустой­чивые и термонеустойчивые. Они могут быть термосолеустой-чивыми.

Все промывочные жидкости делятся на обработанные хими­ческими реагентами и необработанные.

По назначению промывочные жидкости подразделяются на: 1) жидкости для нормальных геологических условий бурения (вода, некоторые водные растворы, нормальные глинистые рас­творы); 2) жидкости для осложненных геологических условий бурения.

По основному эффекту, достигаемому химической обработ­кой, промывочные жидкости для осложненных условий буре­ния можно подразделить на ингибированные, в которых структурообразование приостановлено на определенном уровне; соле­стойкие; термостойкие.

По способу приготовления промывочные жидкости бывают: 1) естественные; 2) искусственно приготовленные. К первым от­носятся вода, углеводородные жидкости и промывочные жидко­сти, получаемые в процессе бурения за счет постепенного обра­зования дисперсной фазы из разбуриваемых пород, ко вторым — все остальные.

Наибольшее распространение в качестве промывочных жид­костей получили глинистые растворы. В целом их можно разде­лить на две группы; 1) нормальные; 2) специальные. К нормаль­ным относятся растворы, не обработанные реагентами. Глини­стые растворы, обработанные реагентами с целью направленно­го регулирования свойств применительно к конкретным геологи­ческим и технологическим условиям, объединяются в специаль­ные. Они получают название либо по наименованию основного активного компонента (ингибированные растворы — хлоркальциевые, ферросульфатные и т. д.), либо по технологическому названию (утяжеленные, растворы с противоморозными добав­ками и т. д.), либо по виду дисперсной системы (эмульсионные, аэрированные).

Часто в промывочную жидкость вводят добавки специально­го назначения (смазывающие, пластифицирующие, эмульгирую­щие и т. д.). Как правило, добавки имеют многофункциональ­ное действие. Это приводит к тому, что промывочные жидкости одного и того же состава в зависимости от того, какая в данных геологических условиях функция является главной, могут по на­значению относиться к различным типам, что еще более услож­няет их классификацию.

Классификация промывочных жидкостей по составу приве­дена на рис. 9.

 

 

 


ПЛОТНОСТЬ

 

Плотность промывочной жидкости ρ есть масса единицы объема. Измеряется в кг/м3 или г/см3.

Плотность промывочной жидкости определяет гидростатиче­ское давление в скважине:

                               pгст=ρgН                                                       (III.1)

где Н — глубина скважины по вертикали, м; gускорение сво­бодного падения, м/с2.

С увеличением плотности промывочной жидкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе сква­жины, уменьшается подача насосов, ухудшается очистка забоя. Наряду с этим увеличение гидростатического давления приводит к снижению темпа разрушения породы на забое и в итоге к уменьшению механической скорости бурения. Для примера на рис. 10 приведена кривая, характеризующая падение скорости бурения в глинистом сланце средней крепости с ростом гидро­статического давления.

Повышение плотности промывочной жидкости, особенно свя­занное с ростом содержания активной твердой фазы, сопровождается увеличением ее вязкостных свойств, что приводит к по­явлению целого комплекса факторов, снижающих механическую скорость бурения.

В нормальных условиях бурения увеличение плотности про­мывочной жидкости нежелательно. Лишь при бурении в крепких, но неустойчивых вследствие трещиноватости породах стремятся увеличить плотность промывочной жидкости. За счет повышен­ного гидростатического давления такой жидкости стенки сква­жины становятся более устойчивыми. Для повышения плотно­сти применяют специальные добавки — утяжелители.

При поглощениях промывочной жидкости или с целью умень­шения ее отрицательного влияния на проницаемость пластов (например, при бурении гидрогеологических скважин) плот­ность жидкости уменьшают. В отдельных случаях для резкого снижения плотности промывочные жидкости насыщают возду­хом (аэрируют).

Плотность промывочных жидкостей в полевых условиях из­меряют ареометрами АГ-ЗПП (рис. 11) или АБР-1. В комплект прибора входят собственно ареометр и удлиненный металличе­ский футляр с крышкой в виде ведерка 9. Прибор состоит из следующих   основных  частей:   мерного  стакана  5,  донышка  6, поплавка 7, стержня 8 и съемного груза 1

 

clip_image044

 

Мерный стакан име­ет две полости: одну — для пробы замеряемого раствора и вто­рую— компенсационную. В компенсационной камере помещает­ся металлический балласт 4, необходимый для устойчивости по­груженного в воду прибора, и компенсационный груз 3 для та­рировки, представляющий собой обычно чугунную дробь. Ком­пенсационная камера перекрывается полиэтиленовой заглуш­кой 2, которая крепится к стакану эпоксидным клеем. В верх­ней части стакана расположены зерновидные прорези для слива излишков раствора.

Поплавок 7 перекрывается донышком 6, которое, с одной стороны, обеспечивает герметичность поплавковой камеры, а с другой — постоянный объем раствора в мерном стакане 5.

Стержень 8 представляет собой дюралевую трубку с нане­сенными на ней шкалами. Одна шкала с делениями от 0,9 до 1,7 г/см3, вторая (служащая для определения плотности утяже­ленных растворов)—от 1,6 до 2,4 г/см3. Трубка закрывается сверху полиэтиленовой пробкой 10 на резьбе. Съемный груз 1, обеспечивающий два диапазона измерения ареометра, представ­ляет собой стальную арматуру, залитую снаружи полиэтилено­вой оболочкой. При соединении съемного груза с мерным ста­каном 5 используется полиэтилен.

При измерении поплавок снимают со стакана, наполняют по­следний жидкостью, вновь присоединяют поплавок и ареометр в вертикальном положении опускают в футляр, наполненный чистой пресной водой. Отсчет плотности ведут по шкале с мень­шими значениями ρ. Перед измерением ареометр следует про­верить путем определения плотности пресной воды. В этом слу­чае ареометр должен показывать ρ=1 г/см3. Точность измере­ний ареометром составляет 0,01 г/см3. В лабораторной практике, если  такая точность недостаточна,  применяют  пикнометры.

 

 

 


ВЯЗКОСТЬ

 

 

Вязкость, как уже отмечалось, — один из важнейших пара­метров промывочной жидкости. Она определяет не только вели­чину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе скважины, но и характер и величину проникновения промывоч­ной жидкости в поры и трещины горных пород. С ростом вяз­кости ухудшаются условия очистки скважины от шлама и резко падает механическая скорость бурения. На рис. 12 показан ха­рактер уменьшения механической скорости бурения в осадочных породах (1 — алевролит, 2 — глина) с увеличением вязкости глинистого раствора.

Вязкость промывочной жидкости по возможности следует поддерживать минимальной. Лишь в породах, склонных к по­глощению, ее необходимо повышать. В ряде случаев величина вязкости обусловливается ее связью с другими параметрами, например плотностью.

clip_image046

 

Рис. 12. Зависимость скорости бурения от вяз­кости промывочной жидкости

 

clip_image048

 

Рис. 13. Полевой вискозиметр ВБР-5

 

В полевых условиях измеряют так называемую условную вязкость промывочных жидкостей, которую обозначают бук­вой Т. Для этого используют капиллярный воронкообразный вискозиметр ВБР-5 (рис. 13). Прибор ВБР-5 состоит из ворон­ки 2 объемом 700 см3 с сеткой 1 и мерной кружки 3 объемом 500 см3.

Измерения выполняют следующим образом. Взяв в руку во­ронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее от­верстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуе­мую жидкость до верхней кромки вискозиметра. Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и од­новременно включают левой рукой секундомер. Воронку необ­ходимо держать вертикально (допустимое отклонение не выше 10°). Когда кружка наполнится до края, останавливают секун­домер, а отверстие воронки вновь закрывают пальцем. Время истечения 500 см3 промывочной жидкости в секундах характе­ризует условную вязкость.

Так как в дисперсных коллоидных системах в состоянии по­коя или медленного течения неконтролируемо образуется струк­тура, это может привести к искажению результата. Поэтому для . уверенности измерения выполняют 2—3 раза. После каждого измерения воронку, сетку и кружку надо тщательно промыть водой.

Воронка вискозиметра имеет в верхней части приспособле­ние, позволяющее подвешивать ее на стойке в вертикальном по­ложении. Периодически вискозиметр следует проверять путем определения его постоянной: времени истечения 500 см3 чистой воды. Постоянная вискозиметра должна быть 15±0,5 с.

Хотя условная вязкость зависит от величины структурной вязкости, динамического и статического напряжений сдвига, теоретически она достаточно строго не обоснована. Истечение из воронки вискозиметра происходит при переменном давлении столба жидкости, высота которого в процессе опыта уменьша­ется. Условная вязкость дает самое общее представление о вяз­костных свойствах промывочной жидкости, и лишь огромный опыт использования ВБР-5 и простота конструкции этого при­бора обеспечивают его широкое распространение.

 

 


Динамическая и структурная вязкость

 

Динамическую и структурную вязкость определяют только в хорошо оснащенных лабораториях на вискозиметрах более сложной конструкции. Лабораторные вискозиметры могут быть капиллярными, ротационными или основанными на измерении силы сопротивления при перемещении твердого тела в испытуе­мой жидкости. Наиболее распространены ротационные вискози­метры.

Градиент скорости и напряжение сдвига — непостоянные ве­личины в радиальном направлении. Неоднородное напряжен­ное состояние несущественно при обработке результатов испы­таний жидкости, подчиняющихся закону Ньютона, но играет большую роль для аномально-вязких материалов. Поэтому с целью получения однородного поля скоростей (и напряжений) при исследовании неньютоновских жидкостей стремятся исполь­зовать вискозиметры с небольшими зазорами   между   измери тельными цилиндрами (<10% от радиуса подвижного ци­линдра).

При определении вязкости используются следующие теоре­тические зависимости (рис. 14).

 

 

clip_image050

 

Рис.  14. Принципиальная схема ротаци­онных вискозиметров

 

 

clip_image052

 

Рис. 15. Прибор для измерения реологических параметров промывочных жид­костей ВСН-3

 

 

Для ньютоновской жидкости

 

clip_image054

 

отсюда

 

clip_image056

 

 

Здесь М — момент, обусловленный силами трения; ω  угло­вая скорость подвижного цилиндра; RH—радиус наружного цилиндра; Rь — радиус внутреннего цилиндра;l — высота слоя жидкости в зазоре между цилиндрами.

 

 

При постоянной величине lвыражение

 

clip_image058

 

является константой прибора. Обозначив ее а, получим

 

clip_image060

По этой же формуле определяется   эффективная   вязкость неньютоновской жидкости.

Зависимость, из которой вычисляется структурная вязкость,

имеет следующий вид

 

clip_image062

 

 

clip_image064clip_image066clip_image067clip_image068для конкретного прибора являются постоянными.

 

Обозначив их соответственно bи с, по­лучим

 

clip_image070

 

 

Для исследуемой жидкости ηи τ0 — постоянные параметры Тогда зависимость между непосредственно измеряемыми вели чинами примет вид

 

clip_image072

 

 

               где d=; l' = bcτo.

 

 

Получив минимум два значения М при соответствующих ему со, на основе выражения (Ш.7) составляем систему двух уравнений, решаем ее относительно dи Г, а затем относитель­но η и τ0. Чаще результаты измерений представляют графиче­ски, откуда получают коэффициент dи отрезки l';η, τ0.

 

 


Измерение вязкости вриборами

 

Как правило, измерения производят при равновесных со­стояниях дисперсных систем, для чего вращают цилиндр до получения не зависящего от времени крутящего момента. Час­тоту вращения цилиндра изменяют от большей величины к мень­шей В практике исследовательских работ применяют вискози­метры ВСН-2М и ВСН-3.

Прибор ВСН-3 (рис. 15) состоит из закрытого корпуса1, измерительной системы привода и стакана 4 для испытуемой жидкости. В корпусе 1 прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, гильзу 6, шкалу 7, пружину 9, крутильную головку 10. Испытуе­мая среда заливается в стакан 4, который опирается на телеско­пический столик 3. Гильза 6 приводится во вращение от двига­теля 15 через редуктор 2, вал 11 и систему шестерен. Для изме­рения статического напряжения сдвига прибор снабжен электро­двигателем 13, который при соответствующем положении пере­ключателя 14 редуктора вращает через шестерню 12 наружный цилиндр с частотой 0,2 об/мин. Конструкция прибора обеспе­чивает предварительное разрушение структуры промывочной жидкости путем вращения цилиндра 6 с большой частотой.

Принцип действия ВСН-3 основан на измерении момента сил трения, возникающего в кольцевом зазоре при вращении гиль­зы 6 и закручивающего подвесной цилиндр 5 на угол, пропор­циональный возникающему моменту. Пружина 9 создает реак­тивный момент, препятствующий вращению подвесного цилинд­ра. Угол измеряется по отклонению «нуля» шкалы 7 от риски на смотровом окне 8. Привод вискозиметра обеспечивает четы­ре частоты вращения (200, 300, 400, 600 об/мин) наружного ци­линдра при определении динамического напряжения сдвига и структурной вязкости и одну (0,2 об/мин) при определении ста­тического напряжения сдвига. 

При измерении структурной вязкости и динамического на­пряжения сдвига испытуемую жидкость перемешивают при час­тоте вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а за­тем снимают устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин (за устойчивые показа­ния углов закручивания принимаются углы, величины которых при вращении гильзы в течение 3 мин не меняются). Структурная вязкость вычисляется по формуле

 

clip_image077

За величины структурной вязкости и динамического напря­жения сдвига принимают средние значения трех измерений.

Статическое напряжение сдвига на приборе ВСН-3 опреде­ляют следующим образом. Испытуемую жидкость перемешива­ют в течение 1 мин при частоте вращения гильзы 600 об/мин. Жидкость оставляют в покое на 1 или 10 мин, переводят пере­ключатель в положение «0,2», после чего производят измерение. Показание шкалы снимают в момент максимальных значений, предшествующих разрушению структуры. Статическое напряже­ние сдвига вычисляется по формуле

θ = kφ,                                                                                                                (III.10)

где k— величина статического напряжения сдвига, соответст­вующая углу закручивания пружины на 1° (приводится в пас­порте); φ — угол поворота измерительного элемента.

Измерения можно проводить при термостатировании контро­лируемой жидкости, для чего предусмотрено соединение стака­на 4 с термостатом резиновым шлангом.

Сущность измерения вязкости промывочных жидкостей ка­пиллярным вискозиметром заключается в том, что через калиб­рованную трубку диаметром dи длинойlпод заданным давле­нием пропускается испытуемый раствор. Время истечения tзаданного объема находят по секундомеру, поcле чего определя­ют расход жидкости q. Такие замеры проводят при различных давлениях, и результаты наносят на график q=f{p). Зависи­мость qр с некоторыми допущениями принимается линейной.

clip_image078


Теоретически эта зависимость выражается формулой

clip_image080

clip_image082

 

Структурную вязкость получают по любым двум точкам по­лученной прямой, дающим две пары значений qxp1 и q2р2. Составляют два уравнения (III.11), из которых при совместном решении исключается р0 и находится η.

clip_image084

 

Динамическое напряжение сдвига вычисляется из выраже­ния:

 

clip_image086

 

Приведенные расчетные формулы приближенны, так как не учитывают ряд искажающих факторов (конечную длину капил­ляра, эффект скольжения, концевой эффект и др.).

Схема капиллярного (трубного) вискозиметра показана на рис. 16. Вискозиметр состоит из сменной вискозиметрической трубки 1, мешалок 2, двух цилиндров 5 с поршнями 4, устройства для замера объемной скорости потока 6, регулятора давле­
ния 7, автоматического переключателя 8.

clip_image088

 

Рис.   16.  Схема капиллярного виско­зиметра ВНИИНГП

  

clip_image090

Рис.   17.  Зависимость структурной в условной    вязкостей     от    плотности глинистого раствора

Перепад давленияв трубке измеряется с помощью образцовых манометров 9. Рабо­
чие цилиндры и вискозиметрическая трубка заключены в ко-
жу
х 3, что позволяет термостатировать систему при атмосферном давлении.     

Переключатель 8 обеспечивает распределение воздуха при заданном давлении поочередно в рабочие цилиндры с переме­щающимися поршнями, благодаря чему создается движение жидкости в капиллярной трубке с периодическим изменением постоянной скорости по направлению. Это позволяет многократно  повторять измерения  на  ограниченном  объеме испытуемой жидкости.

Таким образом, определение ηи τ0 довольно трудоемко и сложно, но крайне необходимо. Без этих параметров невозмож­но выполнить гидравлические расчеты.

Сложность непосредственного измерения структурной вяз­кости привела к появлению попыток установления конкретной связи ее с условной вязкостью. На рис. 17 приведены зависимо­сти структурной и условной вязкости от плотности раствора, приготовленного из кыновских глин. По таким сводным графи­кам зная условную вязкость, можно сразу же оценить и струк­турную вязкость. Однако этот метод определения структурной вязкости требует большого объема предварительных исследова­ний, правомерен для отдельных разновидностей глин лишь в оп­ределенных пределах.

 

 

 


СТАТИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

 

 

Статическое напряжение сдвига θ, как уже указывалось, ха­рактеризует прочность структуры и определяет способность про­мывочной жидкости: удерживать во взвешенном состоянии час­тицы разрушенной горной породы и пузырьки газа (воздуха); проникать в трещины и поры горных пород и удерживаться там под действием нагрузок.

Повышатьθ следует в случае, если интенсивность разруше­ния горных пород при бурении достаточно велика и продукты разрушения имеют значительные размеры и плотность, если необходимо утяжелять промывочную жидкость специальными утяжелителями, а также в условиях возможных поглощении промывочных жидкостей в трещиноватых или пористых поро­дах При этом необходимо иметь в виду, что повышенное ста­тическое напряжение сдвига ухудшает условия дегазации и очистки промывочных жидкостей от продуктов разрушения гор­ных пород и посторонних включений.

Статическое напряжение сдвига измеряют пластометрами. В практике бурения наибольшее распространение получил ро­тационный пластометр СНС-2 (рис. 18). Прибор состоит из ци­линдра 6, подвешенного на упругой проволоке 2 к конусу, кронштейна 4 и стакана 7, установленного на вращающемся столике 3. Вращение с частотой 0,2 об/мин через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Вo избежа-ние скольжения испытуемой жидкости поверхность подвесного цилиндра сделана рифленой. На трубку 3, соединенной с ци­линдром, укреплен лимб 14, разделенный на 360 . На уровне лимба на кронштейне находится указатель 5. Для установки станины 11 прибора на опорах 10 в горизонтальное положение имеются установочные винты 9.

Статическое напряжение сдвига θ измеряют следующим образом.

clip_image092

 

Рис. 18. Схема прибора СНС-2

 

 

 

clip_image094

 

Рис.   19.   Схема   прибора   Вейлера— Ребиндсра

Страницу прибора с помощью установочных винтов при­водят в горизонтальное положение, о чем будет свидетельство­вать соосное положение цилиндра 6 в стакане 7. Затем поворо­том конуса совмещают нуль лимба 14 с указателем 5, после че­го конус1 фиксируется легким нажатием сверху.

В зазор между цилиндром и стаканом заливается исследуе­мая жидкость до тех пор, пока уровень ее не совпадает с верх­ним основанием цилиндра 6. Испытуемую жидкость хорошо пе­ремешивают путем вращательных движений (вручную) внут­реннего цилиндра, после чего нуль лимба совмещается с указа­телем и жидкость оставляют в покое до образования структу­ры. Принято выдерживать жидкость в покое после установки внутреннего цилиндра 1 и 10 мин и соответствующие величины статического напряжения сдвига обозначать θ иθ10. По исте­чении 1 мин включают двигатель, столик 8 начинает вращаться, вращается стакан 7 и через структуру промывочной жидкости вращение передается внутреннему цилиндру. При этом проис­ходит закручивание упругой проволоки 2.

Внутренний цилиндр в зависимости от особенностей испы­туемой жидкости может вращаться с частотой, как равной час­тоте вращения стакана 7, так и несколько меньшей за счет пластической деформации жидкости в зазоре прибора. По ме­ре закручивания упругой проволоки сопротивление закручива­нию возрастает и в конце концов превышает прочность струк­туры испытуемой жидкости. Это сопровождается или остановкой внутреннего цилиндра, или его движением в обратную сторону. По лимбу 14 определяют максимальный угол закручивания проволоки.

Конструкция цилиндра предусматривает контакт с испытуе­мой жидкостью только по боковой поверхности. Поэтому сила сопротивления испытуемой    жидкости    вращению цилиндра f1  равна произведению боковой поверхности цилиндра на статиче­ское напряжение сдвига:

Сила сопротивления закручиванию нити f2может быть оп­ределена по величине наибольшего угла закручивания проволо­ки при сдвиге ∆φ1 и моменту М, необходимому для закручива­ния данной проволоки на 1o:

Приравнивая эти выражения и решая их относительно θ1 получим

                                  clip_image100

 

        Здесь M/2πr2h— константа прибора при данной упругости проволоки. Значение ее берется из паспорта прибора. Обозна­чив ее k, получим

 

clip_image102

 

        Определив θ1 выключают электродвигатель, промывочную жидкость в стакане вновь хорошо перемешивают, нуль шкалы совмещают с указателем и фиксируют время стабилизации структуры. По истечении 10 мин включают электродвигатель и измеряют угол ∆φ2.

 

clip_image104

 

        Отношение θ10/θ1 =kT характеризует тиксотропные свойства исследуемой жидкости; для промывочных жидкостей kТ=1÷1,5.

Продолжительность замера углов закручивания проволоки при исследовании промывочной жидкости не должна превышать 1 мин, так как в процессе измерения (во всяком случае, на на­чальном этапе) происходит дальнейшее упрочение структуры. Поэтому для измерения статического напряжения сдвига про­мывочных жидкостей в широком диапазоне значений применя­ют проволоки различной упругости. Каждый прибор СНС-2 снабжен комплектом из шести сменных упругих проволок.

В капиллярных пластомерах θ определяют по величине уси­лия, обусловливающего сдвиг столбика испытуемой жидкости в стеклянной трубке диаметром 1—2 мм. Для точных лаборатор­ных исследований применяется прибор Вейлера — Ребиндера (рис. 19). Основная деталь его — рифленая алюминиевая пла­стинка 6, подвешенная на упругой металлической проволоке к коромыслу аналитических весов 3 с чашкой для нагрузки 2. Пластинка устанавливается в середине кюветы 7, в которую заливается испытуемая жидкость 8. На проволоке крепится ре­пер 4, напротив которого на основании 1 установлен микро­скоп 5.

Время структурирования составляет 24 ч. Наблюдения вы­полняются при нескольких значениях нагрузки (не менее шес­ти). Деформация отсчитывается по истечении 1; 5; 10; 15; 30; 45 с и 1; 2; 3; 5; 7; 10; 12; 15 мин. После каждой нагрузки про­водится разгрузка с таким же порядком отсчета, как и при нагружении. Последовательные нагружения и разгрузки выпол­няют до полного разрушения образца, что устанавливается по резкому увеличению скорости деформации и выдергиванию пла­стинки из кюветы.

По результатам наблюдений для каждого цикла нагруже-ние—разгрузка строят кривые деформация — время εf(t). По прямолинейному участку кривой e = f(t) проводят прямую до пересечения с ординатой и получают величинуεт. Быстрая эластическая деформация εо рассчитывается по первому секунд­ному расчету, медленная эластическая деформация ε2 определя­ется величиной отрезкаεтε0. Напряжение сдвига

P=F/S,                                                                                                            (III.20)

где F— нагрузка, Н; S — площадь пластинки, м2.

За статическое напряжение сдвига θ можно принять значе­ние Р, соответствующее разрушению образца жидкости (выдер­гиванию пластинки). После построения графиков найденных значений деформации в функции от Р определяют структурно-механические константы дисперсной системы.

Имеется прибор Вейлера — Ребиндера с автоматической за­писью показаний.

 

 


Водоотдача и толщина фильтрационной корки

 

Под водоотдачей В (фильтрацией) понимается способность промывочной жидкости отфильтровывать жидкую фазу в поро­ду под действием избыточного давления в скважине. Процесс водоотдачи сопровождается образованием фильтрационной корки.

Сущность водоотдачи сводится к следующему. Все горные . породы — в той или иной степени пористые и трещиноватые. Вскрытие горных пород скважиной сопровождается проникно­вением в поры и трещины промывочной жидкости. При этом частицы твердой фазы не проникают в глубь массива горных пород на большие расстояния, а отлагаются в устьях пор и тре­щин и образуют сплошную пленку, пронизанную тончайшими капиллярами. Размеры этих капилляров таковы, что через них фильтруется только вода. Частицы твердой фазы группируются вокруг каналов фильтрации и постепенно уменьшают их сече­ние. Так, на стенках скважины образуется фильтрационная корка. По мере ее утолщения сопротивление прохождению через нее жидкой фазы возрастает и скорость фильтрации сни­жается. Величина водоотдачи определяется свойствами фильт­рационной корки, образуемой данной промывочной жидкостью.

clip_image106

Рис. 20. Схема образования фильт­рационных корок:

а — тонкой корки при качественном глини­стом растворе; б — толстой коркипри не­качественном глинистом растворе; белые кружки обозначают грубые частицы, точ­ки — коллоидные частицы, породы стенок скважины заштрихованы

 

Скорость образования и толщина корки различны и зависят от ряда факторов, в том числе от качества промывочной жид­кости. Высокодиспергированные растворы образуют, как пра­вило, тонкие, но плотные корки, фильтрация воды через кото­рые со временем приближается к нулю. Грубодисперсные, низ­кокачественные нестабильные растворы образуют толстые, рых­лые и неплотные корки с устойчивыми размерами капилляров, через которые продолжает протекать вода. Такие растворы ха­рактеризуются высокой водоотдачей.

Схема образования фильтрационных корок показана на рис. 20.

Фильтрационная корка характеризуется толщиной и лип­костью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении спуско-подъемных операций к обра­зованию пробок и затяжкам бурильного инструмента, к росту перепадов давления на стенки скважины. Липкая корка (даже тонкая) — плотная и может привести к прихвату бурильного инструмента, особенно при бурении глубоких наклонных сква­жин. При нормальных условиях бурения толщина фильтраци­онной корки не должна превышать 2 мм.

В процессе бурения вода в поры и трещины горных пород отфильтровывается при циркуляции раствора. Динамическая фильтрация воды из промывочной жидкости происходит в два этапа. На первом этапе наблюдается нарастание фильтрацион­ной корки, на втором этапе прекращается рост толщины фильт­рационной корки и скорость фильтрации стабилизируется в связи с наступлением динамического равновесия процесса.

Описанный механизм водоотдачи сопровождается физико-химическим изменением горных пород в прискважинной зоне. Глубина и характер этих изменений определяются видом гор­ных пород и химическим составом дисперсионной среды промы­вочной жидкости. Поэтому ограничение водоотдачи имеет боль­шое значение, особенно при бурении в пористых, рыхлых и на­рушенных породах.Повышение температуры приводит к росту водоотдачи и тол­щины фильтрационной корки. Характер влияния температуры на водоотдачу глинистого раствора показан на рис. 21. Растворы с высокодиспергированной твердой фазой подвержены    влиянию температуры в меньшей степени.

 

                                                                        

clip_image108

 

 

Рис. 21. Зависимость глинистого раствора             Рис. 22. Зависимость механической                                                                                  от температуры                                                     скорости бурения от водоотдачи

                                                                                             промывочной жидкости

 

 

При увеличении давления в скважине неоднозначно изменя­ется водоотдача. Фильтрационные корки ряда промывочных жидкостей, например глинистых растворов, обработанных не­которыми реагентами, при увеличении давления могут уплот­няться, что приводит к уменьшению водоотдачи. Увеличение последней положительно сказывается на механической скорости бурения. При повышенной водоотдаче фильтрат быстрее прони­кает в породу забоя, снижая ее прочность. Более интенсивно выравнивается поровое давление в породах до гидростатическо­го в скважине. С ростом водоотдачи особенно эффективно уве­личивается механическая скорость бурения в глинах. Влияние фильтрации промывочной жидкости на механическую скорость бурения приведено на рис. 22. Однако возможность приведен­ных выше осложнений обусловливает необходимость уменьше­ния водоотдачи.

 

 


Приборы для измерения водоотдачи

 

Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и пока  используются лишь в научных исследованиях.

К наиболее распространенным в практике разведочного бу­рения приборам относятся ВМ-6 и ВГ-1М, в которых водоотда­ча измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см2 за 30 мин.

Прибор ВМ-6 имеет две конструкции. Первая (рис. 23, а) состоит из трех основных узлов: напорного цилиндра с плун­жером, фильтрационного стакана и плиты с кронштейном. В фильтрационном стакане между собственно стаканом 5 и его поддоном 9, соединенными на резьбе, в специальной кольцевой выточке зажимается металлический корпус фильтра 7, на кото­рый при измерении укладывают смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги 6. С помощью винта 11 клапан 10 с ре­зиновой прокладкой 5 прижимают к нижней стороне корпуса фильтра, перекрывая таким образом каналы фильтрации.

clip_image110

Фильтрационный стакан в собранном виде устанавливают в кронштейн 13 и заливают в него испытуемую жидкость 14. На резьбу горловины стакана 5 навинчивают напорный цилиндр 3 с чашкой в нижней части и проверяют, перекрыт ли дроссель­ный кран 4. После этого в цилиндр 3 заливают масло 15, уста­навливают на цилиндр плунжер 1 с грузом 2 и, выпуская лиш­нее масло с помощью дроссельного крана 4, совмещают нуле­вое деление шкалы прибора с риской в верхней части цилинд­ра. Затем открывают клапан 10 и включают секундомер.

Под действием давления от веса плунжера через фильтро­вальную бумагу и постепенно образующуюся на ней фильтра­ционную корку из промывочной жидкости отфильтровывается жидкость, стекая через отверстия в поддоне 9.   По мере отделения фильтрата объем раствора уменьшается — и плунжер с грузом медленно опускается вниз. Через 30 мин по шкале и риске на цилиндре 2 фиксируют объем отфильтрованной жид­кости в см3.

Не всегда удается совместить нулевое деление с риской. В этом случае записывают показание на шкале против риски, принимая его за нуль, и из полученного значения водоотдачи вычитают число, принятое за нуль.

После взятия отсчета открывают дроссельный кран 4, выпус­кают остатки масла из цилиндра 3. Затем при открытой игле вынимают плунжер из цилиндра, отвинчивают цилиндр и сли­вают масло из чашки в подготовленную емкость. Вынув из кронштейна фильтрационный стакан, выливают из него остатки жидкости и масла и разбирают, извлекая фильтр с образовав­шейся фильтрационной коркой. Осторожно смыв с фильтраци­онной корки промывочный раствор, измеряют ее толщину по­гружением стальной линейки.

По окончании разборки все детали прибора тщательно про­мывают, протирают и прибор собирают.

В комплект прибора входит баллончик для масла и ванноч­ка 12 для сбора фильтрата. Последняя при измерении водоот­дачи устанавливается под отверстиями поддона.

Модификация прибора ВМ-6 (рис. 23, б) отличается устрой­ством нижней части. Изменена конструкция поддона 7, который приобретает функцию опорной части прибора. Поддон в нижней части имеет кольцевые канавки, соединенные сквозным отвер­стием с чашей. Отверстие перекрывается пробкой 6, играющей роль запорного клапана.

При сборке фильтрационного стакана на поддон 7 уклады­вается смоченный кружок фильтровальной бумаги 9, на кото­рый укладывается кольцевая резиновая прокладка 8, после че­го навинчивается до упора собственно стакан 5. Затем отвер­стие перекрывается пробкой 6, и узел готов к работе. Осталь­ные операции аналогичны операциям при работе с прибором описанной выше конструкции.

Максимальная водоотдача, которую можно измерить непо­средственно на приборах ВМ-6, составляет 40 см3 за 30 мин. Для того чтобы можно было измерить больший показатель, к прибору прилагаются бланки с двойной логарифмической сет­кой (рис. 24). Зависимость водоотдачи от времени на такой сетке выражается прямой линией. Измерив водоотдачу через более короткие отрезки времени, например 2 и 5 мин, и отло­жив соответствующие точки на графике, можно провести через эти точки прямую и продолжить ее до пересечения с ординатой, соответствующей 30 мин. Точка пересечения дает водоотдачу за 30 мин.

Толщина и качество фильтрационной корки при таком мето­де определения не являются показательными. Этот метод ис­пользуется и для ускорения измерения    водоотдачи. При этом для большей надежности делают три-четыре измерения, напри­мер через 1, 2, 3 и 5 мин.

clip_image112

Водоотдачу, лежащую за пределами шкалы измерений при­бора, можно определить и расчетным путем. Решение уравнения фильтрации жидкости при переменной толщине фильтрацион­ной корки приводит к выводу, что количество отфильтровавшейся жидкости Vза время tопределяется равенством

                               V = аt1/2,                                                          (III.21)

где а — коэффициент, учитывающий    свойства фильтрационной корки и вязкость дисперсионной среды.

Приведенное уравнение позволяет вычислить водоотдачу промывочного раствора за любой промежуток времени, если известна его величина за любой другой промежуток:

clip_image114

С помощью прибора ВМ-6 можно определять содержание га­за (воздуха) в структурированной промывочной жидкости. Для этого плунжер прибора закрывается изнутри пробкой, отделяю­щей воздух, находящийся в штоке, от исследуемой промывочной жидкости. На собранный для измерения водоотдачи прибор на­кладывается груз массой G. В результате сжатия газа плунжер опускается на определенное число делений п. Содержание газа V2(в %) в промывочной жидкости вычисляют по формуле

                        V2 =1,05(4/G+1)n.                                             (III.23)

Водоотдачу промывочных жидкостей, содержащих газ (воз­дух), и объем газовой фазы (в %) определяют в условиях буре­ния на приборе ВГ-1M (рис. 25). Прибор имеет удлиненные по сравнению с прибором ВМ-6 плунжер и цилиндр, а также шка­лу, разделенную на две части: нижнюю — для измерения содер­жания газа, верхнюю — для измерения водоотдачи. Шкала пе­ремещается в вертикальном направлении с помощью винтов, что необходимо для установки на нуль по шкале «газ».

Сначала определяется содержание газа. Плунжер, сжимая пробу раствора с газом, опустится. Деление шкалы «Газ», оста­новившееся против отсчетной риски на верхнем крае втулки ци­линдра, укажет процентное содержание газа в исследуемом растворе. Отсчет по шкале надо брать сразу же после останов­ки груза-шкалы.

После измерения количества газа в растворе определяют во­доотдачу. Спуская избыток масла с помощью дроссельного кра­на, совмещают нулевое деление на шкале «Водоотдача» с от­счетной риской на втулке цилиндра, открывают клапан и через 30 мин берут отсчет.

 

 


Вакуумный способ измерения водоотдачи

 

Вакуумный способ измерения применяется в стационарных лабораториях. Преимущества его — более благоприятные усло­вия измерения и возможность исследования стабильных аэри­рованных жидкостей. Схема вакуумной установки показана на рис. 26. Установка состоит из вакуумного насоса 9, вакуумного манометра 8, колбы 1, соединенной с вакуумным насосом шлан­гом 3 со стеклянным краном 4. Внутрь колбы помещается гра­дуированная пробирка 2 для сбора фильтрата, в верхней части колбы с помощью резиновой пробки 5 с отверстием установлена воронка Бюхнера 7.

clip_image115clip_image117

Водоотдачу измеряют сле­дующим образом. На перфори­рованную часть воронки Бюхнера помещают два смоченных кружочка фильтровальной бу­маги 6, диаметр которых равен внутреннему диаметру цилинд­рической части воронки. При включении на короткое время вакуумного насоса фильтро­вальная бумага присасывается к воронке. Перекрыв кран 4, включают вакуумный насос и заливают в цилиндрическую часть воронки испытываемую жидкость. По достижении мак­симального разрежения от­крывают кран и включают се­кундомер. Через 30 мин пере­крывают кран, снимают во­ронку 7, достают пробирку и измеряют объем  фильтрата.

В скважине процесс отфильтровывания жидкой фазы происходит при более высоких давлениях, чаще в динамических условиях. Приборы для опре­деления водоотдачи в динамических условиях сложны и исполь­зуются пока только в хорошо оснащенных лабораториях для научных исследований. Схема такого прибора (ПВД-8) пока­зана на рис. 27.

Прибор работает следующим образом. Раствор из нагнета­тельной линии через кран 1, фильтр 3 и открытую задвижку 2 поступает в кольцевое пространство, образованное корпусом 4 и фильтром 5. Площадь цилиндрической поверхности фильт­ра 5 равна площади фильтра стандартного прибора ВМ-6. От­фильтрованная жидкость, преодолевая сопротивление пружины редукционного клапана 6, стекает в измерительный цилиндр 7. Циркулирующая жидкость через распределительную муфту 8 удаляется из системы. Давление контролируется манометром 9. Прибор позволяет измерять водоотдачу при перепаде давле­ния до 15 МПа и скорости циркуляции промывочной жидкости, равной скорости подъема раствора в кольцевом пространстве скважины.

 

 


СТАБИЛЬНОСТЬ И СУТОЧНЫЙ ОТСТОЙ

 

Эти параметры используются в качестве технологических показателей устойчивости промывочной жидкости как дисперс­ной системы.

Показатель стабильности С измеряется с помощью прибора ЦС-2, представляющего собой металлический цилиндр объемом 800 см3 со сливным отверстием в середине. При измерении от­верстие перекрывают резиновой пробкой, цилиндр заливают ис­пытываемым раствором, закрывают стеклом и оставляют в по­кое на 24 ч. По истечении этого срока отверстие открывают и верхнюю половину раствора сливают в отдельную емкость. Ареометром определяют плотность верхней и нижней частей раствора. За меру стабильности принимают разность плотно­стей раствора в нижней и верхней частях цилиндра. Чем мень­ше значение С, тем стабильность раствора выше.

Суточный отстой измеряют с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 см3, обозначают буквой О. Испытывае­мую жидкость осторожно наливают в мерный цилиндр до от­метки 100 см3, закрывают стеклом и оставляют в покое на 24 ч, после чего визуально определяют величину слоя прозрачной во­ды, выделившейся в верхней части цилиндра. Отстой выража­ют в процентах выделившейся жидкости от объема пробы. Чем меньше суточный отстой, тем устойчивее, стабильнее промывоч­ная жидкость.

Эти параметры следует измерять при температурах, соответ­ствующих температуре раствора в скважине. Стабильным счи­тается раствор, у которого С0,02—0,03 г/см3, O3—4%.

 

СОДЕРЖАНИЕ ПЕСКА

 

Под песком понимается количество (объем) всех крупных частиц, имеющихся в промывочной жидкости. Сюда относятся собственно песок, грубодисперсные частицы выбуренной породы и исходной твердой фазы промывочной жидкости. Содержание песка обозначается обычно буквой Л, измеряется в %.

Таким образом, содержание песка характеризует устойчи­вую загрязненность промывочной жидкости твердыми включе­ниями. Чрезмерное содержание песка приводит к абразивному износу гидравлического оборудования и бурового снаряда, уменьшению механической скорости бурения. Для промывоч­ных жидкостей нормальным считается содержание песка до 4%. Определение содержания песка основано на явлении седимен­тации грубодисперсных частиц в разбавленной промывочной жидкости.

Основной прибор для определения содержания песка — ме­таллический отстойник ОМ-2 (рис. 28), представляющий собой цилиндр 2 со стеклянной измерительной пробиркой 4 в нижней части. На боковой поверхности пробирки нанесены деления 8 через 0,1 см3. Пробирка крепится к нижней части цилиндра 2 с помощью винта 7, перекладины 6 и прокладок 3 и 5. Сверху отстойник закрывается крышкой 1 объемом 50 см3, которая ис­пользуется как мерный сосуд. В верхней части цилиндра имеется отверстие, объем цилиндра ниже  отверстия  составляет 500 см3.

В отстойник заливают сначала 200—300 см3 воды, далее 50 см3 испытываемой жидкости, затем доливают воду, пока она не начнет выливаться через отверстие. Надев крышку и прикрывая пальцем боковое отверстие, переворачивают не­сколько раз отстойник, перемешивая воду с испытываемой жид­костью. После этого отстойник устанавливают в вертикальное положение и оставляют в покое на 1 мин. За это время из рас­твора оседают частицы размером более 0,02 мм. По делениям на пробирке определяют объем осевших частиц в см3 и полу­ченный результат умножают    на два. Это  будет    содержание

песка в %.

Для определения содержания коллоидных фракций твердой фазы пользуются ультрацентрифугированием.

 

clip_image119

 

 

 


КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ рН

 

Наличие в промывочной жидкости водородных ионов связа­но с процессом диссоциации воды, являющейся слабодиссоциирующим веществом: в 1 л при 22 °С диссоциирует 110-7 мо­ля с образованием 1•10-7 моля водорода Н+ и 1•10-7 моля гид-роксидной группы ОН. Концентрацию диссоциированных моле­кул Н2О в воде и разбавленных водных растворах можно считать величиной постоянной. Произведе­ние концентраций водородных и гидроксидных ионов, так называе­мое ионное произведение воды, так­же постоянно. Численное значение его при 22 °С равно 1•10-14.

Если в водных растворах кон­центрация водорода и гидроксидной группы одинакова (каждая равна 110-7 моль/л), такие растворы яв­ляются нейтральными. В кислых растворах концентрация водород­ных ионов превышает 1 • 10-7 моль/л, в щелочных растворах концентра­ция ионов гидроксидной группы больше концентрации водорода.

Кислотность и щелочность рас­твора можно выражать либо через концентрацию ионов Н+, либо через концентрацию ионов ОН-. На прак­тике для этого обычно пользуют­ся концентрацией Н+.

Чтобы избежать неудобств, свя­занных с    применением    степенных отрицательных чисел, концентрацию водородных ионов принято выражать ее логарифмом с обратным знаком и называть водо­родным показателем рН= - lg[H+].

В нейтральных растворах рН =7, в кислых рН<7 и умень­шается с ростом кислотности. В щелочных растворах рН>7 и повышается с увеличением щелочности. Концентрация водород­ных ионов рН — важный показатель, определяющий характер физико-химических процессов в промывочной жидкости и необ­ходимость обработки ее реагентами. В каждой дисперсной си­стеме при определенных значениях концентрации водородных ионов наступает максимум и минимум стабильности.

Для различных промывочных жидкостей существует своя оптимальная концентрация водородных ионов, при которой они наиболее полно удовлетворяют требованиям технологии буре­ния в конкретных геолого-технических условиях. Контроль за величиной рН позволяет определить причины изменения свойств промывочной жидкости в процессе бурения и принять меры по восстановлению ее качества. Концентрацию водородных ионов промывочных жидкостей измеряют колориметрическим и элект­рометрическим способами.

Колориметрический способ основан на применении индика­торов. При этом способе используют наборы индикаторов и бу­ферных растворов различных реактивов с определенными зна­чениями рН. Фильтрат, полученный при измерении водоотдачи, наливают в пробирку, добавляют в нее раствор индикатора и сравнивают цвет жидкости в этой пробирке с цветом эталон­ных буферных растворов с индикаторами или с эталонной цвет­ной шкалой, на которой указаны значения рН, соответствующие той или иной окраске.

Более удобен колориметрический способ измерения рН с использованием набора индикаторной бумаги и эталонных цвет­ных шкал. При измерении полоску индикаторной бумаги осто­рожно укладывают на поверхность промывочной жидкости. Когда полоска пропитывается жидкостью и цвет ее перестанет изменяться, прикладывают ее к эталонной шкале и по шкале определяют величину рН, соответствующую данной интенсив­ности окраски. Если подобрать подходящий цвет по шкале не удается, это значит, что сорт бумаги был выбран неправильно, опыт нужно повторить, взяв соответствующую бумагу, Колори­метрический метод имеет невысокую точность (+0,5 рН) и ча­ще применяется в полевых условиях.

 Электрометрический способ используется для более точного определения рН в лабораториях на специальных приборах рН-метрах, например рН-262. Здесь для измерения величины рН используется система со стеклянным электродом, электро­движущая сила которой зависит от активности ионов водорода в растворе.

Схема  прибора для  измерения рН приведена  на  рис. 29. Стеклянный электрод 2 представляет собой трубку с полым шариком 1 из специального стекла на конце. При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водород­ного электрода.

Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность потенциалов, величина которой определяет­ся активностью ионов водорода в растворе. Для создания элект­рической цепи при измерении применяются контактные элект­роды: внутренний контактный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, который заполняет внут­реннюю полость стеклянного электрода, и внешний контактный электрод (вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

С целью защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН растворов, температура которых выше температу­ры окружающего воздуха) вспомогательный электрод помеща­ют вне контролируемого раствора и соединяют его с последним при помощи электролитической трубки 5 (ключа), наполненной раствором хлористого калия и заканчивающейся пористой пе­регородкой 6.

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через пористую перегородку, предотвращая проникновение из контро­лируемого раствора в систему электрода 4 посторонних ионов, которые могли бы изменить величину эдс электрода.

Для измерения эдс электродной системы применяется ком­пенсационная схема, позволяющая существенно уменьшить потребляемый ток электродной системы при измерении. Электро­движущая сила Е электродной системы сравнивается с падени­ем напряжения на сопротивлении, через которое протекает ток конечного каскада усилителя рН-метра. Этот ток пропорциона­лен эдс электродной системы, а следовательно, и величине рН контролируемого раствора.

Прибор позволяет выполнить измерения рН с точностью до 0,01 единицы.

 

 

 


ПРОЧИЕ СВОЙСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

 

Поверхностное натяжение промывочной жидкости необходи­мо определять при использовании поверхностно-активных ве­ществ для понижения твердости горных пород в процессе буре­ния, а также в качестве компонентов промывочной жидкости, например эмульсионных растворов. Наиболее простой метод определения поверхностного натяжения — сталагмометрический (метод отрывающейся капли).

Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку на штативе с капиллярным отверстием в нижней части, торец ко­торой отшлифован перпендикулярно к ее оси. При медленном истечений жидкости из сталагмометра на его конце образуется капля. Непрерывно поступающая из сталагмометра жидкость увеличивает размер капли до тех пор, пока ее вес не превысит величину силы поверхностного натяжения жидкости, тогда кап­ля отрывается. Чем меньше поверхностное натяжение жидко­сти, тем больше капель получится при истечении одного и то­го же объема жидкости. По числу капель судят о концентра­ции ПАВ.

Измерения проводятся либо на границе жидкость — жид­кость (истечение испытываемой жидкости происходит в керо­син), либо на границе жидкость — воздух. Последний метод не­достаточно точен, но более прост и поэтому применяется для оперативного контроля содержания ПАВ.

Поверхностное натяжение жидкости σ определяется с ис­пользованием поверхностного натяжения стандартной жидко­сти σв, в качестве которой чаще всего принимается вода.

                                  σ = σв (nвγв/),                                                     (III.24)

где n и nв — число капель соответственно исследуемой и стан­дартной жидкости; γ и γв — удельные веса исследуемой и стан­дартной жидкости.

Обычно по результатам предварительных исследований строится график зависимости σ от концентрации ПАВ в рас­творе. Тогда измерение концентрации ПАВ в промывочной жид­кости сводится к определению количества капель и считыванию концентрации с графика.

Смазочные свойства промывочных жидкостей оцениваются коэффициентом трения.

Противоизносные свойства промывочных жидкостей соглас­но ГОСТ 23.002—78 характеризуются следующими показателя­ми: скоростью изнашивания, интенсивностью изнашивания, из­носостойкостью, относительной износостойкостью. Имеются и другие показатели изнашивания, например диаметр пятен из­носа, весовой износ и т. д.

Смазочные и противоизносные свойства промывочных жид­костей определяются на машинах трения типа четырехшарико-вых, «Амслер», УКВС, «Титкен», АМ-3. При этом оцениваются энергетическая загрузка взаимодействующих тел, условия охлаждения и смазки, характеристика взаимодействующих тел, характер взаимодействия изнашиваемых элементов и виды из­нашивания поверхностей трения. Методика определения смазоч­ных и противоизносных свойств промывочных жидкостей до­вольно сложна, однако в связи с ростом глубин разведочных скважин требования к этим параметрам повышаются. Это обусловливает необходимость широкого внедрения имеющихся методов оценки смазочных и противоизносных свойств и их со­вершенствования и упрощения.

Состав фильтрата и воды необходимо знать для оценки це­лесообразности применения того или иного способа регулиро­вания свойств промывочной жидкости. Это связано с определе­нием химического состава промывочной жидкости, главным об­разом концентрации минеральных солей. Чаще всего определя­ют концентрацию хлористых солей и солей, характеризующих жесткость воды. Иногда приходится оценивать химический со­став дисперсионной среды после введения веществ с целью из­менения тех или иных свойств жидкости. Обычно исследованию подвергается фильтрат, полученный при измерении показателя фильтрации.

Методы химического анализа водных растворов излагаются в специальных пособиях.

При поглощениях важно знать закупоривающие свойства промывочных жидкостей, которые придают введением инертных наполнителей. Иногда приходится определять и другие свойства (теплоемкость, состав дисперсной фазы, липкость фильтраци­онной корки и др.), имеющие подчиненное значение в оценке приемлемости растворов для тех или иных условий бурения.

 

 

 

 


РЕГУЛИРОВАНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

Промывочная жидкость, как уже указывалось, не может в одинаковой мере выполнять все функции. И не всегда это не­обходимо. Поэтому для конкретных условий бурения опреде­ляется набор основных функций промывочной    жидкости и те свойства, которые обеспечат их выполнение. Задаче получения заданных свойств должны быть подчинены все работы по под­бору рецептур (состава) промывочной жидкости их регулиро­ванию. При этом необходимо сохранить на приемлемом уровне остальные параметры промывочного агента.

Заданные свойства жидкости получают, подбирая состав и вид компонентов. Наибольшую сложность представляет полу­чение дисперсных промывочных жидкостей, так как здесь очень важное значение имеет степень дисперсности дисперсной фазы, характер ее взаимодействия с остальными компонентами. Из­меняя степень дисперсности, можно при одном и том же со­ставе промывочной жидкости в широких пределах варьировать некоторыми и в первую очередь реологическими свойствами промывочного агента.

Приготовление промывочной жидкости путем смешивания дисперсной фазы с дисперсионной средой в подавляющем боль­шинстве случаев не обеспечивает требуемых свойств. Парамет­ры такой дисперсной системы должны быть доведены до необ­ходимых значений, что достигается применением средств регу­лирования свойств промывочных жидкостей и в первую очередь добавок активно действующих веществ.

В процессе бурения промывочная жидкость взаимодействует с разбуриваемыми породами, пластовыми водами, подвергается воздействию механических нагрузок, температуры, давления, атмосферного воздуха, осадков. В ней происходят внутренние процессы, связанные с ослаблением электрических зарядов на частицах и старением составляющих компонентов. Все это при­водит к ухудшению свойств промывочной жидкости, она теряет способность выполнять необходимые функции. Поэтому в про­цессе бурения требуется восстанавливать и поддерживать ее необходимые свойства.

Нередко чередование пород в геологическом разрезе вызы­вает необходимость в изменении некоторых функций промывоч­ной жидкости. Поэтому, если можно не заменять раствор, его свойства регулируют в процессе бурения на подходе к соответ­ствующему интервалу.

Таким образом, необходимость в регулировании свойств про­мывочной жидкости возникает в следующих случаях: 1) при приготовлении — для получения раствора с заданными свойст­вами; 2) в процессе бурения — для поддержания требуемых функций; 3) в процессе бурения — для изменения параметров применительно к изменяющимся геологическим условиям.

Свойства промывочной жидкости регулируют: химической обработкой (путем введения специальных веществ — реаген­тов); физическими методами {разбавление, концентрирование, диспергация, утяжеление, введение наполнителей); физико-хи­мическими методами   (комбинация перечисленных методов).

 

 


ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

 Сущность химической обработки заключается в целенаправ­ленном воздействии на свойства промывочных жидкостей путем введения новых компонентов, получивших название реагентов.  Механизм процессов, происходящих в буровых растворах при химической обработке, хорошо описан Э. Г. Кистером.

Структурно-механические и фильтрационные свойства про­мывочных жидкостей, как уже отмечалось, связаны с характе­ром проявления коагуляционных процессов в дисперсной систе­ме. Изменение этих свойств обусловлено при прочих равных условиях степенью и направлением воздействия на коагуляцию. Пептизация и разбавление дисперсных систем направлены на уменьшение коагуляции; стабилизация и коллоидная защита — на предотвращение; ингибирование — на замедление, регулиро­вание; добавки солей и увеличение концентрации твердой фа­зы— на усиление коагуляции.

При добавлении реагентов смещается равновесие в сторону усиления или ослабления связей между частицами твердой фа­зы, изменяются гидрофильность, дисперсность. Флокулируя ча­стицы определенных размеров, можно регулировать содержание твердой фазы в промывочной жидкости и размеры частиц. В ре­зультате устанавливаются промежуточные равновесные состоя­ния, которые и определяют свойства буровых растворов. Таким образом, все протекающие в растворе изменения — это различ­ные формы единого коагуляционного процесса, управляемого общими закономерностями системы «дисперсная фаза — диспер­сионная среда», его физико-химическим механизмом.

Физико-химическое взаимодействие раствора с пластовыми водами и частицами горных пород в процессе бурения, влияние температуры, атмосферных условий могут смещать равновесие системы в ту или иную сторону. Это приводит к изменению тех­нологических параметров и может вызвать необходимость в по­вторном воздействии на систему реагентов. В зависимости от характера смещения подбирают вид реагента, его состав, кон­центрацию, порядок введения. Реагентами регулируется уро­вень лиофильности системы. При этом действуют факторы, влия­ющие на дисперсность, — набухание, пептизация или, наоборот, структурообразование и агрегирование.

Общий физико-химический механизм процессов, происходя­щих в дисперсной системе, обусловливает тесную взаимосвязь различных, часто противоречивых воздействий на буровой рас­твор. Такая связь, например, существует между противополож­но направленными процессами пептизации и коагуляции. Пеп­тизация — процесс физико-химического диспергирования под влиянием среды — разрушает коагуляционные связи, но в то же время увеличивает число кинетически активных частиц и мо­жет стать предпосылкой, подготавливающей коагуляцию. В свою очередь данный уровень    дисперсности    можно сохранить как торможением пептизации (ингибироваиием), так и предотвраще­нием коагуляционного агрегирования (стабилизацией), а также сочетанием обоих методов. Различные факторы направляют процессы коагуляции в ту или иную сторону, но разграничить их по времени и в пространстве невозможно: они протекают одновременно и во всем объеме системы. Поэтому можно гово­рить лишь о преимущественном направлении.

Практически химическая обработка буровых растворов сво­дится к регулированию этих процессов, обеспечению должного баланса между ними. Обычно коагуляция и пептизация приво­дят к резко различным консистенциям. Однако общность меха­низма, управляющего этими процессами, часто может обусло­вить одни и те же результаты. Так, причиной загустевания мо­жет быть и коагуляция, и увеличение числа частиц в результа­те пептизации. Соответственно разжижение может носить коагуляционный характер или быть следствием пептизационного разрушения структур с последующей стабилизацией (стабили­зационное разжижение).

Коллоидная защита в зависимости от условий также может приводить к загустеванию (в пресных средах) или разжижению (при засолении). Таким образом, изменения консистенции бу­ровых растворов еще ничего не говорят о процессах, их обус­ловивших. Для этого необходим более глубокий анализ, учиты­вающий влияние различных взаимодействующих факторов.

На коагуляционные процессы активно влияет температура. Нагревание ослабляет защитное действие реагентов, но усили­вает агрессию присутствующих электролитов, пептизацию твер­дой фазы и общую кинетическую активность компонентов. В зависимости от содержания дисперсной фазы и ее природы, уровня минерализации, стабилизации и термообработки коагу­ляционные процессы могут развиваться в направлении как за­густевания, так и разжижения. На различных стадиях нагрева­ния и охлаждения результирующая этих процессов может из­меняться по величине и знаку. Буровые растворы, резко увели­чивающие показатель фильтрации и разжижающиеся от нагре­вания, при охлаждении загустевают до нетекучести, но могут восстанавливать показатель фильтрации до исходной величины. В других случаях нагревание вызывает интенсивное загустевание растворов и рост показателя фильтрации при повышении температуры и при охлаждении.

Наиболее сложные взаимодействия происходят при химиче­ской обработке промывочных жидкостей, содержащих глинис­тую твердую фазу. Основные формы взаимодействия глин со средой, по Э. Г. Кистеру, сводятся к обменным реакциям (ион­ный обмен), необменным или частично обменным реакциям замещения и реакциям присоединения. В реальных условиях эти реакции часто проходят одновременно, взаимно накладываясь. Все они происходят на поверхности глины под действием сил, обусловленных следующими причинами:

изоморфными замещениями в кристаллической решетке; наличием ненасыщенных, оборванных связей по краям и уг­лам частиц, возникающих при диспергировании или поверхност­ном растворении;

неоднородностью связей структуры глинистой частицы; замещениями и связями при наличии на поверхности актив­ных гидроксильных групп.

Эти причины вызывают образование вокруг частиц поля сил значительной протяженности. Неоднородность его как вдоль по­верхности, так и по мере удаления от нее обусловливает раз­личную интенсивность связей. Ионообменные процессы характе­ризуются сравнительно подвижными связями. Более прочные ковалентные, поляризованные координационные и водородные связи образуются непосредственно у поверхности и являются причиной необменных присоединений и замещений.

 

 

 


Особенности обработки при работе с глиной

 

Обменные реакции замещения ограничены величиной обмен­ной емкости. Наиболее важны катионные замещения, ведущие к существенному изменению глин и глинистых растворов. Дейст­вие каждого катиона индивидуально и зависит от его размеров, активности, гидратации. В ряду обменных реакций глин боль­шое значение имеет и анионный обмен. Он также сказывается на поведении системы глина—вода, во многом определяет ха­рактер поглощения катионов, играет большую роль в химиче­ской обработке. Анионный обмен в глинах изучен слабо.

Наряду с обменными процессами на поверхности глины про­исходят и необратимые реакции. К ним относятся необратимые замещения неорганических и органических катионов и целых групп, фиксация фосфатов и др. Так у ионов Cu2+, K+, NH42+, Mg2+ и других наблюдаются необратимые замещения с обра­зованием поверхностных химических соединений. Большое зна­чение имеют прочные, практически необменные замещения в глинах на органические катионы или соединения, обладающие свойствами оснований. По мере насыщения поверхности орга­ническими катионами, блокирующими активные участки, пада­ют гидрофильность глины и ее обменная способность. Подоб­ный же эффект оказывают образующиеся на поверхности глины сернистые соединения.

Глины способны к реакциям присоединения органических радикалов и целых молекул с образованием поверхностных глиноорганических комплексов. Все они могут характеризовать­ся как неорганические полимеры с «привитыми» органическими группами или полимерными цепями. Такого рода соединения возникают в результате химической обработки глинистых рас­творов полимерами.

Стабилизация и коллоидная защита — основной метод сдер­живания или регулирования коагуляции буровых растворов. Физический смысл стабилизации сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодейст­вующие силы межчастичного притяжения. В ряду этих условий решающее значение имеет механическая прочность высокост­руктурированных стабилизационных слоев, которые являются барьером, предотвращающим сближение частиц. В условиях обычных температур эти слои образуются при взаимодействии реагента с обменными катионами и отчасти с поверхностными атомами кристаллической решетки. При повышении темпера­туры эти слои разрушаются как из-за термической неустойчиво­сти реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью (в этом случае необходимы термостойкие реагенты, прочно связанные с атомами на поверх­ности глины, в том числе и хемосорбционно).

Практически важен и кинетический фактор — уменьшение концентрации твердой фазы. Но основным путем стабилизации буровых растворов все же остается повышение лиофильности путем введения реагентов, образующих на межфазных границах прочные молекулярные слои.

В зависимости от условий стабилизация приобретает различ­ные формы. При отсутствии агрессии, когда надо защитить бу­ровой раствор от концентрационного загустевания, наибольшее значение имеет обработка реагентами — понизителями вязкости. Стабилизация ими является процессом понижения прочности коагуляционных структур. В основе их действия лежит блокиро­вание активных участков поверхности частиц твердой фазы с образованием мощных гелеобразных прослоев, нарушающих сплошность структуры. Этим облегчается передвижение отдель­ных звеньев структуры при течении, снижаются вязкость рас­творов, статическое напряжение сдвига и тиксотропия.

Действие реагентов-стабилизаторов сводится не только к предотвращению или сдерживанию коагуляционного структурообразования и разжижению растворов, но и к улучшению дру­гих параметров, например показателя фильтрации вследствие образования более гидрофильных и малопроницаемых корок. Разжижающее действие реагентов, как правило, интенсивнее, чем гидрофилизация глинистой фазы, в связи с чем при чрез­мерных обработках возникает опасность седиментационной не­устойчивости. Оптимальны такие обработки, которые лишь ограничивают структурообразование, но не ликвидируют его.

Наряду со стабилизацией обычно применяемые реагенты — понизители вязкости оказывают и пептизирующее действие, расщепляя не только вторичные коагуляционные образования, но и основные элементы структуры. Увеличение числа кинетиче­ски активных частиц усиливает загустевание и противодейству­ет разжижению. Конечная консистенция является результирую­щей этих процессов.

При агрессивных воздействиях на буровой раствор (элект­ролитов, температуры) возрастает его коагуляционная уязви­мость, тем более что при этом перерождаются адсорбционные слои обычно применяемых реагентов. В агрессивных средах за­щитные функции выполняют лишь водорастворимые полиэлектролиты, состоящие из гибких макромолекул линейного строения и большой протяженности. Здесь имеет большое значение кон-формация макромолекул.

Конформация макромолекул водорастворимых полимеров и их отношение к твердой фазе определяют механизм защитного действия, по-разному реализующийся в пресных и соленых во­дах. В пресных водах, как правило, основной фактор стабили­зации—образование смешанных полимерглинистых структур. В результате резко снижаются частота и эффективность соуда­рения частиц твердой фазы, вызывающих коагуляционное агре-гирование. Сопряженные высокогидрофильные структуры, вхо­дя в состав фильтрационных корок, снижают их проницаемость и показатель фильтрации.

При введении небольших количеств соли резко снижается объем связанной воды и начинается адсорбция полимера. Свер­тывание макромолекул в соленых средах и осаждение их на частицах твердой фазы сопровождаются разрушением сопря­женных структур и стабилизационным разжижением, изменени­ем структуры фильтрационных корок и увеличением показате­ля фильтрации. При повышенных температурах также происходит свертывание (глобулизация) макромолекул, сопровождае­мое ростом показателя фильтрации.

Рассмотренный механизм взаимодействия глины с дисперси­онной средой и ее компонентами наблюдается и при наличии иной твердой фазы, но его активность будет несоизмеримо сла­бее.

В практике бурения результаты химической обработки оце­ниваются внешними признаками — изменением технологических свойств промывочной жидкости. Однако далеко не всегда изме­ряемые свойства дают возможность предсказать, будет ли про­мывочная жидкость выполнять функции, ради которых проводи­лась химическая обработка. Сюда в первую очередь относятся крепящие свойства растворов. Оценить наличие ингибирующих свойств промывочной жидкости, устойчивость ее как дисперсной системы можно только с течением времени, часто по косвен­ным признакам.

Очень важно, на каком этапе проявления нежелательных признаков в промывочной жидкости (или в породах, слагающих стенки скважины) проведена ее химическая обработка. При не­обратимом развитии нежелательных процессов косвенные при­знаки перестают служить показателями наличия в промывочной жидкости нужных свойств. Так как мы не располагаем опера­тивными количественными методами контроля процессов, про­исходящих в промывочной жидкости, выбор реагента и его кон­центрации, оценка своевременности химической обработки ба­зируются во многом на опыте, интуиции.

Зная, как действует реагент, какие свойства он придает про­мывочной жидкости, каков характер изменения свойств в за­висимости   от   концентрации   реагента,     можно  предположить, что химическая обработка даст определенный эффект. При этом необходимо учитывать факторы, определяющие особенно­сти действия реагента в конкретных геологических условиях. Так как далеко не все факторы могут быть учтены и оценены при выборе того или иного реагента, при сохранении общего ха­рактера действия он может недостаточно эффективно изменять требуемое свойство. В таких случаях приходится изменять кон­центрацию реагента или добавлять другие вещества.

Введение реагентов узкоцелевого назначения может приве­сти к нежелательному изменению других параметров. Для их регулирования и восстановления приходится добавлять соот­ветствующие вещества или их комбинации. В результате полу­чается многокомпонентная система, обладающая оптимальными для данных условий свойствами.

Различают первичную и вторичную обработки промывочных жидкостей. Первичная ставит целью создать промывочную жид­кость заданного качества. Такая обработка выполняется либо в процессе приготовления жидкости, либо в процессе ее цирку­ляции в скважине, когда необходимо изменить ее качество в со­ответствии с ожидаемыми условиями бурения.

Часть реагентов оказывают наибольшее действие, когда их добавляют в воду, на которой приготовляется раствор. Другие не рекомендуется вводить таким образом, так как затягивается приготовление и недостаточно эффективно происходит диспергация твердой фазы. Поэтому порядок первичной химической обработки в процессе приготовления раствора определяется в основном видами реагентов и сложившейся технологией работ.

Первичная химическая обработка в процессе циркуляции раствора осуществляется равномерным введением в желобную систему (приустьевую часть) заранее заготовленного реагента с таким расчетом, чтобы провести обработку за два-три полных оборота промывочной жидкости в скважине.

Вторичная химическая обработка заключается в поддержа­нии свойств жидкости, полученных при первичной обработке. Изменение ее свойств в процессе бурения, определяемое харак­тером влияния на нее проходимых пород, степенью минерали­зации подземных вод и рядом других факторов, может потре­бовать многократную вторичную обработку. Интервал, через который необходимо проводить дополнительную вторичную об­работку, обусловлен интенсивностью изменения свойств про­мывочной жидкости.

Любому виду химической обработки должны предшествовать лабораторные исследования, в результате которых подбирается наиболее эффективный реагент и обосновывается его оптималь­ная концентрация. Весьма важна своевременность химической обработки. Так, если первичная обработка выполняется с це­лью предупреждения осложнений, типичных для определенного горизонта, она должна быть завершена до его вскрытия. Несвоевременная вторичная обработка может оказаться бесполез­ной, так как изменения свойств раствора могут стать необрати­мыми.

 

 

 


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.

 

 


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.

 

 


ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

Физико-химические методы регулирования свойств промы­вочных жидкостей применяются чаще в комбинации с химиче­ской обработкой. Так, разбавление дисперсной системы может потребовать ее стабилизации добавкой соответствующих ре­агентов. Для повышения эффективности и снижения энергоем­кости процесса диспергации в дисперсную систему могут вво­диться поверхностно-активные вещества. Введение утяжелите­лей возможно при наличии определенных исходных свойств рас­твора. Нередко эти свойства получаются химической обработ­кой. Последняя может потребоваться и после утяжеления.

Аэрация промывочных жидкостей проводится преимущест­венно с добавками поверхностно-активных веществ, что способ­ствует лучшей диспергации воздуха, стабилизирует дисперсную систему. Комбинированные методы регулирования свойств про­мывочных жидкостей более эффективны, расширяют пределы изменения регулируемого параметра, сохраняя прочие свойства промывочной жидкости и повышая при этом стабильность дис­персной системы в целом. Это не значит, что следует всегда стремиться к комбинированной обработке промывочных жидко­стей. Если есть возможность обойтись одним видом регулиро­вания свойств, ее нужно использовать.

 

МАТЕРИАЛЫ  ДЛЯ   ПРИГОТОВЛЕНИЯ   ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

 

ГЛИНЫ

 

Природа глин, их структура и химический состав

Глины — главная, наиболее активная часть глинистых рас­творов, поэтому свойства последних во многом определяются свойствами исходных глин.

Глины — широко распространенные осадочные горные поро­ды, представляющие собой смесь различных минералов, глав­ным образом глинистых. Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички.

Глины образуются в процессах химического выветривания за счет разложения магматических и других пород. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью. Существует ряд глинистых минералов, которые классифицируются либо по хи­мическому составу, либо по особенности кристаллического строения. К основным породообразующим минералам глинистых пород, используемых для растворов, относятся минералы групп монтмориллонита, гидрослюд, палыгорскита и каолинита.

Очень редко глина имеет мономинеральный состав. Как пра­вило, она содержит несколько глинистых минералов. В таком случае глина получает название по наименованию преобладаю­щего минерала. Исключение составляют бентонитовые глины, основной минерал которых — монтмориллонит.

В химическом отношении глины представляют собой гидратированные алюмосиликаты. Химический состав основных глини­стых минералов выглядит следующим образом:

монтмориллонит (OH)4Al4Si8020nH20;

иллит (гидрослюда) (OH)4Ky(Al4Fe4Mg6) (Si8yAly)O20nН2О;

палыгорскит (OH)2Si8Mg5O18•4H2O;

каолин (OH)8Si4Al4O10nH20.

В глинах, кроме того, содержатся в различных количествах окислы железа (например, Fe2O3), щелочных металлов (Na2O; К2О), щелочноземельных металлов (CaO; MgO). Окислы ме­таллов связаны с глинистыми минералами различно. Часть их может входить в состав глинистых минералов, замещая окислы алюминия, часть же их связана с глинистым веществом слабее и представляет собой обменные основания.

Один из определяющих признаков глинистых минералов — отношение SiO2:R2O3 (где RA1 или Fe). Это отношение ко­леблется от двух для минералов каолиновой группы до четы­рех и более для минералов монтмориллонитовой группы.

Кристаллические решетки глинистых минералов состоят в основном из двух структурных единиц — глинозема и гидрата кремнезема. Глинозем представляет собой два плотно упако­ванных слоя атомов кислорода или гидроокислов, между кото­рыми в октаэдрической сетке расположены атомы алюминия, находящиеся на одинаковом расстоянии от соседних шести ато­мов кислорода или гидроксилов (рис. 33). Как уже отмечалось, атомы алюминия могут замещаться атомами железа или маг­ния, что приводит к изменению свойств минерала.

clip_image135

Гидрат кремнезема построен из кремнекислородных тетраэд­ров, расположенных в форме бесконечно повторяющейся гекса­гональной сетки (рис. 34). В тетраэдре атом кремния удален от четырех атомов кислорода или гидроксилов на одинаковое рас­стояние.

clip_image137

Например, решетка кристаллов монтмориллонита и гидро­слюд—трехслойна, а решетка каолинита состоит из двух сло­ев. Трехслойные решетки монтмориллонита связываются в пач­ки прослоем воды, количество которой может увеличиваться и уменьшаться, в связи с чем толщина трехслойной пачки с про­слоем воды не остается постоянной. Таким образом, решетка монтмориллонита обладает подвижностью и способностью рас­тягиваться и сжиматься. У гидрослюд часть атомов кремния замещена атомами алюминия, а освобождающаяся валентность используется на присоединение атомов калия, что укрепляет связь с соседними пачками и делает кристаллы более прочными.

Отсутствие одного из двух слоев Si—О у каолина лишает слоистую пачку симметричности и делает ее связь с соседней пачкой сравнительно прочной. В связи с этим диспергация као­линовых глин происходит хуже, чем монтмориллонитовых.

Кристаллы палыгорскита состоят из двойных цепочек (лент) кремнекислородных тетраэдров. Обе ленты соединяются между собой катионами: магнием, алюминием или железом. Палыгор­скит имеет жесткую структурную решетку и поэтому может ад­сорбировать воду, не увеличиваясь в объеме.

 

 


Емкость обмена и электрический заряд

 

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Меж­ду глиной и раствором происходит обмен катионов. При этом скорость обмена почти мгновенна.

Каждая глина обладает определенным количеством обмен­ных ионов, т. е. вполне определенной обменной емкостью (или емкостью обмена). Обменная емкость выражается количеством молей обменных катионов, содержащихся в 1 кг сухой глины. Для наиболее распространенных глинистых минералов обмен­ная емкость составляет: у монтмориллонита 0,8—1,5, гидро­слюд — 0,1—0,4,  палыгорскита   0,2—0,3,   каолинита   0,03—0,15.

В глинистых минералах обменными катионами являются: Са2+, Mg2+, K+, Na+, H+, NH42+. В природных глинах основные обменные катионы — натрий или кальций, и глина получает название соответственно натриевой или кальциевой. Чистые натриевые или кальциевые глины в природе практически не су­ществуют. Обычно глины смешанные, но влияние одного из ка­тионов преобладает. По этому преобладающему влиянию глины относят к тому или иному типу. Тип глины во многом опреде­ляет свойства глинистого раствора при взаимодействии с веще­ствами, содержащимися в дисперсионной среде. Возможно ис­кусственное превращение натриевых глин в кальциевые и об­ратно.

При добавлении в дисперсионную среду глинистого раствора растворимых солей кальция, например хлористого кальция, по­следний диссоциирует с образованием двух однозарядных анио­нов хлора и одного двухзарядного катиона кальция. Катионы кальция притягиваются к натриевой глине значительно сильнее, чем однозарядные катионы натрия. Происходит обмен катио­нами. Глина становится кальциевой, а в растворе образуется хлористый натрий.

Процесс замещения кальция натрием в глине происходит сложнее. Для этого нужно брать соль натрия, с анионом кото­рой кальций образует нерастворимое соединение. Ионы кальция связываются, и их место занимает натрий. Чаще такой перевод кальциевой глины в натриевую осуществляют с помощью каль­цинированной соды.

Частицы глины при замачивании в воде приобретают отри­цательный электрический заряд, который обусловливает элект­рокинетические явления, происходящие на поверхности глини­стых частиц.

 

Гидрофильность и набухание глин

 

Все глины в той или иной мере гидрофильны. Характер гидрофильности зависит от их типа и состава и во многом опреде­ляет качество глинистого раствора.

При замачивании глины водой молекулы воды окружают по­верхность кристаллов глинистых минералов, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина набу­хает. Набухание — предпосылка пептизации глинистых минера­лов при приготовлении растворов. Оно протекает в два этапа: первый — всасывание воды, второй — развитие набухания. На­бухание оценивается в см3/г, измеряется на порошках глин с размером частиц 0,25 мм и менее.

Всасывание — капиллярный процесс. Для глин среднего ка­чества всасывание длится 20—30 с, для весьма гидрофильных глин — больше. Процесс набухания зависит от типа глины: у минералов с неподвижной кристаллической решеткой набуха­ние идет в основном за счет проникновения    воды в межкристаллическое пространство, у монтмориллонита преимущест­венное значение имеет проник­новение воды в межпакетные промежутки. Поэтому набуха­ние у малогидрофильных глин, например у каолина, фактиче­ски заканчивается через 30— 40 с. У бентонитовых глин на­бухание растягивается на 2— 4 недели, причем увеличение объема может быть 20-крат­ным.

clip_image138clip_image140

 

 

 

При избытке воды набуха­ние сопровождается разруше­нием глины. Диполи воды своими отрицательно заряжен­ными концами притягиваются к положительным ионам ме­таллов или водорода. Чем меньше заряд и больше раз­мер ионов, тем быстрее или легче они отрываются диполями воды от поверхности элемен­тарных кристаллов. Связь между листочками в пачках нару­шается, и глина «распускается» в воде.

На набухании глин отрицательно сказываются снижение рН и солевая агрессия. Так, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17,7 раза, а в соленой в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в прес­ной и соленой воде. Поэтому промывочные жидкости из палыгорскитовых глин солеустойчивы. Изотермы набухания некото­рых глин в дистиллированной и соленой воде приведены на рис. 35.

Следует иметь в виду, что время протекания процессов вса­сывания и набухания при приготовлении глинистых растворов различно (влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.), но характер их проте­кания сохраняется. Это при прочих равных условиях определя­ет время приготовления раствора из каждого типа глины. Чем выше качество глины, тем дольше идет приготовление глини­стого раствора.

Процессы, происходящие при набухании глин, во многом объясняют поведение стенок скважины, сложенных глинистыми породами, при контакте с промывочной жидкостью.

 

 


Размеры и форма частиц

 

Размеры частиц природных глин значительно меньше 0,01 мм. Более крупные зерна, которые могут присутствовать в них,— посторонняя примесь. Наибольшее влияние на свойства

 глинистых растворов оказывает коллоидная фракция с размером ча­стиц менее 1 мкм. Чем меньше размеры частиц, тем больше их качественное влияние на свойства глинистых растворов. В бен­тонитовых глинах содержание коллоидных фракций значитель­но больше, чем в каолиновых, и может достигать 40%.

Средний эффективный диаметр частиц бентонита 0,02— 0,1 мкм, каолина 0,1—1 мкм.

Коллоидальные свойства глинистых растворов определяются не только размерами частиц, но их формой. Чаще всего частицы глины имеют вид плоских или лентовидных чешуйчатых плас­тинок, реже — продолговатую (игольчатую) форму. Благодаря такой форме частицы имеют большую суммарную поверхность, на которой развивается свободная поверхностная энергия. Удельная поверхность глинистых минералов колеблется от 800— 900 м2/г у монтмориллонита до 10—20 м2/г — каолинита.

 

Требования к качеству глины для приготовления растворов

 

Глины используются либо в комовом виде, либо в порошко­вом. Размеры комков не должны превышать 150—200 мм. Глинопорошки готовят на специальных заводах механическим или физико-химическим способами. Механический способ заключа­ется в измельчении исходной глины до заданной тонкости помо­ла по схеме дробление — сушка — помол. Качество порошков здесь определяется главным образом качеством исходного сырья. Как правило, глинопорошки готовят из высококачествен­ных бентонитовых глин.

Физико-химические способы получения глинопорошков пока имеют подчиненное значение. Они более трудоемки, но позво­ляют получать порошки из менее качественных глин. Одна из схем получения глинопорошка выглядит следующим образом: приготовление суспензии из исходного сырья — выведение из нее неактивной части — удаление жидкой фазы.

Для повышения качества глинопорошков их модифицируют путем введения при помоле веществ, улучшающих их свойства: кальцинированной соды, алюминатов, полиакрилатов и др. Тон­кость помола глинопорошков должна быть такой, чтобы оста­ток на сите № 0071 был не более 10%. Для сохранения качест­ва глинопорошки расфасовывают на заводе в плотные бумаж­ные мешки.

Возможны три варианта применения порошкообразных глин.

1.   Как коллоидной добавки к промывочному    раствору, со­держащему неглинистую твердую фазу.

2.   Как добавки к глинистому раствору, приготовленному из местных низкокачественных глин, для увеличения в нем колло­идной фракции.

3.     Как единственной твердой фазы раствора, если в районе работ нет близко пригодных глин, а доставка их затруднена.

     Глины характеризуются выходом раствора Qp — количеством кубических метров раствора заданной условной вязкости, — по­лучаемого из 1 т массы. Чаще в качестве эталонной условной вязкости глинистого раствора принимают величину 25 с. Тогда

Qp = 630/(рp—1000),                                                                                      (V.1)

где рр — плотность раствора при условной вязкости 25 с, кг/м3.

Выход раствора колеблется от 2—3 м3/т из каолиновых ко­мовых глин до 19 м3/т из высококачественных модифицирован­ных глинопорошков.

Качество (пригодность) глин для приготовления растворов оценивается несколькими методами. Простейшим является оценка путем приготовления и исследования раствора из пробы глины. Для этого готовят несколько образцов раствора одина­ковой вязкости и измеряют остальные параметры. Дополни­тельно оценивается возможность регулирования свойств приго­товленных растворов. При этом основное внимание уделяется возможности получения главных, определяющих для данных условий параметров раствора.

И. Н. Резниченко предложил оценивать глины по содержа­нию в них активного коллоидного комплекса (по коэффициен­ту К)

                                 K = B/59,                                                                     (V.2)

где В — величина адсорбции метиленовой сини исследуемой глины, см3/г; 59 — эталонная величина адсорбции метиленовой сини коллоидных частиц наиболее качественного саригюхcкого бентонита в дистиллированной воде, см3.

Величина К для бентонитовых глин должна быть более 0,6. Для глин прочих типов K 0,3.

Между содержанием глины С и значением К  установлена зависимость

                                  GK= СK = const,                                                         (V.3)

где GK— объемное содержание коллоидного глинистого компо­нента, %.

Считается, что получение качественного раствора возмож­но при соблюдении следующих соотношений между коллоидной составляющей К и общим содержанием твердой фазы С:

К0,4; 2,3С5,0.

                                С = рРВ,                                                         (V.4)

где рр, рв — плотности соответственно глинистого раствора и воды, на которой он приготовлен.

Качество глин с учетом характера    основных деформаций, происходящих в глинистом растворе,    оценивается следующим образом. По соотношению быстрых эластических ε0', медленных эластических ε2' и пластических ε1't  (при t=1000 с) деформа­ций все глины делятся на шесть типов: нулевой — εo'<ε2'<ε1't; первый — ε2'>ε0'>ε1't; второй — ε2'>ε't>ε0'; третий — е0'> >ε1't>ε2'; четвертый — ε1't>ε0'>ε2'; пятый — ε1'>ε2'>ε0'.  Устойчивые растворы относятся к нулевому, третьему и четвер­тому структурно-механическим типам.

 

Требование к качеству воды для приготовления глинистых растворов

 

Требования к качеству воды обусловлены составом глинис­того раствора и условиями его применения. Возможно исполь­зование морской воды и пластовых вод — рапы с общей мине­рализацией более 3%. В то же время для приготовления прес­ных качественных глинистых растворов целесообразно исполь­зовать воду с общей жесткостью до (3÷4) 10-3 моль/л. При большей жесткости воду необходимо предварительно смягчать.

 

 


САПРОПЕЛЬ И МЕЛ

 

 

Сапропель — донные отложения пресноводных озер, пред­ставляющие собой сложную по химическому составу многоком­понентную систему биогенного происхождения, в которую вхо­дят природные органические и неорганические вещества. Сюда относятся в первую очередь гуминовые комплексы и вульфокислоты, битумы, углеводные и белковые полимеры, полисахариды, высокодисперсные оксиды металлов, карбонатные и алюмосиликатные породы.

Сапропели подразделяются на органические, кремнеземис­тые, карбонатные и смешанные. Вид сапропеля во многом оп­ределяет свойства бурового раствора. Они используются в есте­ственном виде и высушенными. Сапропели применяют в качест­ве единственной активной твердой фазы (сапропелевые раство­ры), а также как добавки общеулучшающего действия к гли­нистым  растворам  и  естественным  промывочным  жидкостям.

По свойствам, и в первую очередь по структурно - реологиче­ским и фильтрационным, растворы из сапропелей не уступают растворам из глинопорошков лучших марок. Экологически без­вредны.

 

 

МЕЛ

 

 

Мел (СаСО3) представляет собой осадочную горную породу органического происхождения, плотностью до 2,7 г/см3, белого цвета. Он может иметь примесь песка и глины, применяется в комовом и порошкообразном виде. Мел желательно использо­вать с минимальным содержанием песка. Он не набухает, рас­пускается в воде только в процессе перемешивания, причем зна­чительно труднее глины. Частицы мела менее гидрофильны, чем глинистые, по форме округлые. Обменная емкость мела незначительна, вследствие чего он нечувствителен к действию солей.

В качестве сырья для промывочных жидкостей применяется намного реже глины.

 

 

 

 


Классификация реагентов для химической обработки промывочных жидкостей

 

В настоящее время существует ряд классификаций химиче­ских реагентов. Имеются классификации по назначению, хими­ческому составу, растворимости, солестойкости, термостойко­сти и др. Сложность классификации реагентов заключается в неоднозначности проявления их свойств в различных условиях. Так, характер действия ряда реагентов зависит от типа глины (твердой фазы), степени солености дисперсионной среды и ее состава, температуры и т. д. Реагент, выступающий в пресных растворах как структурообразователь и понизитель водоотда­чи, в минерализованной среде может вести себя как разжижи-тель, повышающий водоотдачу, и наоборот.

Многие реагенты обладают комбинированным действием. Например, вещества, понижающие водоотдачу, могут снижать и вязкость. В то же время среди понизителей водоотдачи встре­чаются реагенты, повышающие вязкость, т. е. обладающие структурообразующими свойствами. Характер наиболее опти­мального действия реагента определяется его концентрацией, которая зависит от условий применения. В то же время сущест­венное отклонение концентрации от оптимальной может изме­нять характер действия реагента на обратный. Все это затруд­няет создание единой классификации реагентов, поэтому их подразделяют по одному-двум признакам.

Наиболее целесообразна классификация реагентов по соста­ву и назначению, в которой все вещества делятся на неоргани­ческие — реагенты-электролиты и органические — реагенты-стабилизаторы (защитные коллоиды). И в ту и в другую груп­пы входят вещества специального назначения (функциональ­ные и многофункциональные добавки). Детальное деление ре­агентов каждой группы приведено на рис. 36.

Реагенты классифицируются по основному эффекту воздей­ствия на промывочную жидкость. Однако в ряде случаев ре­агенты оказывают побочное действие, которое может привести как к положительному, так и отрицательному эффекту. Комби­нируя реагенты различных групп, можно усилить желательное и ослабить нежелательное действие химической обработки.

Использование реагентов сопровождается рядом явлений, из которых наиболее важные — сенсибилизация, аддитивность, си­нергизм, антагонизм, привыкание.

 

clip_image142

 

 

Сенсибилизация проявляется в ухудшающем действии защитных реагентов, если они добавляются в незначительных количествах. Применительно к электролитам сенсибилизация приводит к снижению порога коагуляции.

Аддитивность характеризуется независимым действием реагентов. Эффект аддитивного действия двух или более реаген­тов является  арифметической суммой эффектов каждого.

Синергизм — это взаимное усиление действия компонен­тов по сравнению с эффективностью каждого из них порознь. Синергизм —основа комбинированных обработок двумя, тремя и большим числом реагентов, наиболее эффективных в совре­менной практике бурения. Здесь необходимо иметь в виду, что эффективно далеко не каждое сочетание реагентов.

Антагонизм связан с противодействием реагентов друг другу. При антагонизме реагентов для получения требуемого эффекта их нужно добавить больше, чем это необходимо по правилу аддитивности. Крайняя степень проявления антаго­низма — несовместимость реагентов.

Привыкание проявляется в постепенном снижении эф­фективности действия реагентов при повторных добавках.

Полностью механизм всех этих явлений не изучен. В основе их лежат принципы нейтрализации зарядов частицы твердой фазы, сжатие адсорбционных слоев, взаимодействие между функциональными  группами  реагентов  и целый ряд других.

 

 

 


Неорганические реагенты (электролиты)

 

Неорганические реагенты делятся на реагенты многофунк­ционального действия и ингибиторы. К первым относятся ще­лочные реагенты и неорганические вещества полимерного ха­рактера.

Ингибиторы являются коагуляторами дисперсных си­стем, повышают вязкость, статическое напряжение сдвига рас­твора, при этом увеличивается показатель фильтрации. Они применяются, как правило, в комбинации с другими реагента­ми, в первую очередь с реагентами-стабилизаторами, которые ослабляют отрицательное действие ингибиторов на реологичес­кие и фильтрационные свойства промывочных жидкостей. К ин­гибиторам относятся природные соли, искусственные соли и вя­жущие вещества.

К щелочным реагентам относятся кальцинированная сода Na2CO3, каустическая сода (едкий натр) NaOH и едкий калий КОН (используется реже). Они применяются как пептизаторы, коагулянты, регуляторы рН, а также в качестве составных час­тей многих комбинированных реагентов.

Кальцинированная сода — один из наиболее упо­требительных реагентов в разведочном бурении. Она представ­ляет собой белый мелкокристаллический порошок, обладающий небольшой растворимостью в воде. Кальцинированная сода Na2CO3 применяется для улучшения качества растворов из кальциевых или кальциево-натриевых глин, восстановления свойств раствора при бурении (в особенности пород, содержа­щих растворимые соли кальция), для повышения рН дисперси­онной среды. Реагент общеулучшающего действия.

Перевод кальциевой глины в натриевую при обработке кальцинированной содой происходит по схеме:

Са-глина +  Na2CO3 = Na-глина + CaCO3.

При небольших концентрациях (0,75—1%) она вызывает значительное повышение гидрофильности частиц глины, что способствует пептизации, облегчает измельчение первичных час­тиц глины при приготовлении глинистых растворов. Показатель фильтрации и толщина корки снижаются, повышается ста­бильность и  несколько возрастает условная вязкость.

С повышением концентрации кальцинированной соды до 2— 3,5% толщина гидратных оболочек начинает уменьшаться, что приводит к образованию гидрофильной коагуляционной струк­туры. Статическое напряжение сдвига и условная вязкость уве­личиваются. Несколько возрастает показатель фильтрации. Улучшаются тиксотропные свойства раствора.

Дальнейшее увеличение концентрации Na2CO3 ведет к ис­чезновению гидратных оболочек, слипанию частиц по плоским поверхностям, глина начинает выпадать из раствора, наступа­ет гидрофобная коагуляция.

Кальцинированная сода применяется и для смягчения во­ды, идущей на приготовление промывочных жидкостей. На каждый моль устраняемой жесткости на 1 м3 воды требуется 120—150 г соды.

Каустическая содаNaOH может быть в твердом и жидком виде, гигроскопична. По действию на растворы она аналогична кальцинированной соде, но действует более актив­но и не образует нерастворимых соединений с кальцием и маг­нием. Вследствие высокой активности каустической соды подо­брать оптимальную ее концентрацию трудно. Непосредствен­ные добавки NaOH в раствор нежелательны. Каустическая со­да дороже кальцинированной, опаснее в обращении. Она вво­дится главным образом совместно с другими реагентами. Чрез­мерные добавки ее опасны с точки зрения не только возможной гидрофобной коагуляции, но и ухудшения устойчивости стенок скважины.

К реагентам полимерного характера относятся фосфаты, хроматы, бихроматы и силикат натрия (жидкое стекло). Это неорганические полимеры.

Фосфаты представляют собой фосфорнокислые соли нат­рия в виде стекловидного кристаллического вещества, хорошо растворимого в воде. Тринатрийфосфат (Na3PO4) и пирофосфат (Nа4Р2О7)  используются для связывания ионов    кальция. При этом образуются нерастворимые   в воде фосфорнокислые соли кальция.

Чаще применяют полифосфаты (конденсированные фосфа­ты): триполифосфат, гексаметафосфат и тетраполифосфат нат­рия. Это соли полифосфорных кислот, обладающие высокой от­носительной молекулярной массой и представляющие собой це­почки обычных фосфатов. Полифосфаты связывают ионы каль­ция без образования осадка нерастворимой соли. Образующие­ся при этом комплексные соединения фосфатов с ионами каль­ция не диссоциируют и не ухудшают свойства глинистых рас­творов. Вследствие высокой относительной молекулярной мас­сы полифосфаты образуют вокруг частиц глины защитные обо­лочки, препятствующие коагуляции. Такое воздействие обуслов­ливает разжижение глинистых растворов. С повышением темпе­ратуры раствора разжижающий эффект пропадает. Эти реаген­ты применяются в виде 5—10%-ных водных растворов.

Хроматы и бихроматы — кристаллические порошки соответственно желтого и оранжево-красного цвета, весьма ядо­виты. Они применяются для повышения термостойкости глини­стых растворов в виде водных растворов 5—10%-ной концент­рации. Хроматы (Na2CrO4, К2СrО4) — соли хромовой кислоты, бихроматы   (Nа2Сг2О7, К2Сr2О7) — соли бихромовой кислоты.

Сами хроматы не улучшают свойства растворов, но эффек­тивны в промывочных жидкостях, обработанных лигносульфо-натами и нитролигинином. Не рекомендуется использовать их в растворах, обработанных реагентами, подверженными деструк­ции (КМЦ и другие водорастворимые эфиры целлюлозы). Для получения лучших результатов хроматами в количестве 2—3% обрабатывают непосредственно реагенты-стабилизаторы. Ис­пользуют и другие соединения хрома, в частности сернокислый хром.

Жидкое стекло (силикат натрия или калия) — вязкая жидкость от светло-желтого до коричневого и серого цвета. В бурении применяется водный раствор силиката натрия Na2OnSiO2. Он поставляется в виде водного раствора плотностью 1,3—1,8 г/см3 и характеризуется модулем n = SiO2/Na2O.

Для химической обработки глинистых растворов применяет­ся жидкое стекло с модулем n= 2,4÷3. Оно обладает щелочной реакцией, так как является солью сильного основания и слабой кислоты, и применяется для повышения вязкости и статическо­го напряжения сдвига глинистых растворов при борьбе с погло­щениями, при этом повышается водоотдача. Практическая кон­центрация жидкого стекла зависит от концентрации твердой фазы в глинистом растворе и типа глины и колеблется от 0,25 до 4%. Жидкое стекло обладает способностью создавать струк­туру даже в суспензиях, образующихся при разбуривании раз­личных пород неглинистого комплекса. Чаще жидкое стекло применяется совместно с другими реагентами и добавками, в зависимости от условий    выполняет    функции    стабилизатора, структурообразователя, ингибитора и используется для полу­чения ингибированных силикатных растворов, где концентрация его может доходить до 15%.

Из природных солей наиболее распространены хлористый натрий, хлористый калий, бишофит, карналлит.

Хлористый натрий (поваренная соль) NaCl хорошо растворим. Насыщенный раствор содержит его около 30%. При небольших концентрациях (0,1—0,3%) он вызывает повышение вязкости и статического напряжения сдвига растворов из нат­риевых глин, содержащих несолестойкие реагенты — стабилиза­торы. В растворах кальциевых глин незначительно увеличивает структурные свойства. При повышении концентрации он может вызвать гидрофобную коагуляцию. Хлористый натрий использу­ется для повышения статического напряжения сдвига глинисто­го раствора, обработанного защитными коллоидами, при этом концентрация его составляет 0,5—1%.

Насыщенные растворы NaCl применяются при разбуривании пластов растворимой каменной соли и набухающих глин, в зо­нах многолетнемерзлых пород, а также при бурении в зимнее время.

Хлористый калий (сильвин) КСl — кристалличе­ское соединение белого, голубого или землисто-красного цвета. Он вводится в количестве до 7%. Эффект калиевой обработки не зависит однозначно от минералогического состава глинистых пород. Возможна комбинация хлористого калия с MgCl2, тогда в качестве реагента используется карналлит.

Бишофит MgCl2•6H2O хорошо растворяется в воде любой минерализации. Он предназначен для получения буровых рас­творов на основе гидрогеля магния, а также применяется в ка­честве составного компонента магниевых ингибированных рас­творов, используется в концентрации до 5—7%. Реагент гигро­скопичен и требует хранения в закрытой таре.

Карналлит КСl, MgCl2• 6Н2О — двойная соль хлористых калия и магния. Цвет его — молочно-белый, часто красноватый. Вводится в количестве до 7%. Карналлит применяется как ин­гибитор, а также при разбуривании пластов солей. Б последнем случае концентрация его повышается до 15—20%.

Реже в качестве ингибирующих добавок используются дру­гие природные соли, являющиеся отходами калийной промыш­ленности: сильвинит NaClMgCl2, кизерит MgSO4H2O, хлори­стый магний MgCl2 и др.

К искусственным солям-ингибиторам относятся хлористый кальций, соли алюминия и сернокислое железо.

Хлористый кальций СаСl2 — бесцветное или белое кристал­лическое вещество, очень гигроскопичное, может поставляться и в жидком виде. Он легко растворяется в воде, применяется в качестве крепящего компонента в ингибирующих растворах, а также для кальцинирования глинистых растворов. В процессе воздействия хлористого кальция на частицы    натриевой глины катионы натрия вытесняются из обменного комплекса катиона­ми кальция и глина превращается в кальциевую.

Хлористый кальций взаимодействует с едким натром с об­разованием извести и хлористого натрия, поэтому при попада­нии СаСl2 в промывочную жидкость, содержащую едкий- натр, щелочность ее снижается. Добавляется СаСl2 в количестве доЗ%.

Соли алюминия — очень сильные ингибиторы, приме­няются алюминиевые квасцы, например калиевые К2SО4Al2(SO4)3• 24Н2О, алюмоаммонийные (NH)4Al2(SO4)3• 24Н2О, алюминаты — соли гидрата окиси алюминия, например алюми­нат натрия Na2Al2O3, сульфат алюминия Al2(SO4)3. Соли алю­миния добавляются в концентрации до 2—3%.

Сернокислое железо Fe2(SO4)3 и железный купорос Fe2SO4•7H2O — сильные ингибиторы, добавляются в количест­вах до 1 %.

К вяжущим веществам относятся известь, гипс и цемент. Они вводятся главным образом для повышения статического напря­жения сдвига и вязкости растворов при борьбе с поглощениями. Эти ингибиторы являются носителями ингибирующих ионов и используются для приготовления ингибированных растворов.

Гашеная известь (гидроокись кальция) Са(ОН)2 по­лучается из окиси кальция путем обжига известняка с после­дующим гашением водой. Она используется для повышения со­держания ионов кальция и увеличения рН промывочной жид­кости. Гашеная известь очень плохо растворяется в воде. В насыщенном водном растворе находится всего 0,2% извести, поэтому известь используется в промывочных жидкостях в виде так называемого известкового молока — суспензии извести в во­де в соотношении 1:3. При вводе извести глинистый раствор временно загущается. После тщательного перемешивания загустевание исчезает, но показатель фильтрации остается повы­шенным. Значительно увеличивается и толщина глинистой корки.

Известь используется для кальцинирования глинистых рас­творов — снижения чувствительности к загущающему действию выбуриваемой глины, как средство для создания щелочной ре­акции в присутствии солей кальция. Хорошие результаты дает обработка известью глинистых растворов, потерявших воспри­имчивость к химическим реагентам, добавляемым для снижения вязкости и статического напряжения сдвига.

Известь требует осторожного обращения, так как она вызы­вает ожоги при попадании на кожу. Она опасна при попадании в глаза.

Гипс CaSO4•2H2O добывается из естественных залежей. Он трудно растворяется в воде, подобно извести, и применяется для повышения статического напряжения сдвига и вязкости рас­творов при борьбе с поглощениями. В комбинации с реагента­ми-стабилизаторами гипс используется для приготовления гипсовых растворов, которые обладают повышенной термостойко­стью. Он вводится в количестве до 2%.

Цементы вводятся главным образом для повышения ста­тического напряжения сдвига и вязкости растворов. Глинозе­мистый цемент добавляется как носитель солей алюминия при приготовлении алюминатных растворов. Добавка его составля­ет до 3%.

 

 

 


Органические реагенты

 

Стабилизаторы (защитные коллоиды), как правило, пред­ставлены высокомолекулярными реагентами, однако составы, применяемые в бурении, являются смесью высокомолекулярных и низкомолекулярных фракций. Высокомолекулярные реагенты эффективно снижают показатель фильтрации, при этом вяз­кость растворов обычно возрастает. Низкомолекулярные ре­агенты разжижают раствор и уменьшают прочность структуры, так как образуемая ими защитная пленка нарушает сцепление между частицами. Таким образом, реагенты-стабилизаторы — одновременно понизители показателя фильтрации. Преоблада­ние тех или иных свойств зависит от соотношения высокомоле­кулярных и низкомолекулярных фракций и конкретных условий

применения реагента.

Реагенты-стабилизаторы делятся на реагенты общеулучшающего действия, разжижители и структурообразователи.

К реагентам общеулучшающего действия относятся гуматные, УЩР, ТЩР, нитрогуматные и хромгуматные.

Гуматные реагенты — это щелочные вытяжки из бу­рого угля, торфа, сапропеля и продукты их модификации.

Углещелочной реагент УЩР вследствие низкой сто­имости, доступности материалов и высокой эффективности по­лучил наибольшее распространение. Реагент состоит из воды, бурого угля и каустической соды. Основные активные состав­ляющие его — натриевые соли гуминовых кислот и желатинозные вещества, представляющие собой тонкодисперсные углегу-миновые комплексы. УЩР применяется для снижения водоотда­чи и стабилизации раствора. Он — интенсивный пептизатор твердой фазы раствора, эмульгатор и реагент-регулятор рН. Стабилизирующее действие УЩР зависит от соотношений ка­тионов Са и Na в обменном комплексе. При его добавке фильт­рационная корка становится плотной, но и более липкой. Ста­тическое напряжение сдвига резко уменьшается, чаще до нуля, Он уменьшает вязкость растворов.

Оптимальная концентрация УЩР составляет 15—20%. Ка­чество его зависит от содержания гуминовых и желатинозных веществ. С повышением концентрации гуминовых веществ улучшается способность УЩР уменьшать водоотдачу, однако действие его как понизителя вязкости глинистых растворов при этом снижается. Для поддержа­ния низкой фильтрации необхо­димо, чтобы в глинистом раство­ре содержалось не менее 3,5—4% гуминовых веществ. Большие концентрации УЩР не ведут (как при добавке электролитов) к но­вому увеличению водоотдачи, но ' вызывают существенный рост вязкости, слипание частиц, ухуд­шение стабильности, а иногда и гидрофобную коагуляцию. Об­щий характер влияния УЩР на основные параметры глинистого раствора приведен на рис. 37.

clip_image144

clip_image121[1]

 

Область применения УЩР ограничена минерализацией не выше, чем у морской воды. При большем содержании солей гли­нистые растворы, обработанные УЩР, гидрофобно коагулируют. Реагент чувствителен к хлористому кальцию. Многосторонность УЩР делает его реагентом общего улучшающего действия для растворов   различных   назначений  и типов.

Приготовление УЩР — процесс нейтрализации гуминовых кислот едким натром, в результате которого образуются соли — гуматы натрия. УЩР готовят следующим образом. В глиноме­шалку, наполовину заполненную водой, загружают расчетное количество каустической соды и перемешивают до полного рас­творения. Затем загружают расчетное количество дробленого и просеянного бурого угля и перемешивают в течение 1,5—2 ч. При этом происходит частичное растворение гуминовых кислот. Для полного извлечения гуминовых кислот этого времени недо­статочно, поэтому после добавления в глиномешалку воды до верха и повторного перемешивания в течение 1—2 ч полученный реагент сливают в запасную емкость, где выдерживают его в течение суток. Правильно приготовленный и выдержанный УЩР содержит до 5% гуминовых веществ.

На 1 м3 пресной воды требуется 100—150 кг сухого бурого угля и 10—30 кг каустической соды (в пересчете на сухую мас­су). Плотность УЩР составляет 1,04—1,05 г/см3, водоотдача 2—3 см3.

По данным В. С. Баранова и 3. П. Букс, содержание буро­го угля и каустической соды для малоколлоидных кальциевых глин составляет соответственно 10 и 2,5%, а для высококолло­идных натриевых глин 13—15 и 1,8—2,0%. Для определения максимального количества каустической соды приготовляют в одинаковых условиях три — пять порций УЩР с разным соот­ношением угля и щелочи и обрабатывают этими реагентами глинистый раствор. По образцу, давшему наилучшие результаты в условиях опыта, находят необходимую концентрацию кау­стической соды.

На практике рецептуру УЩР характеризуют обычно отно­шением процентного содержания угля и каустической соды в реагенте. Например, состав 13:2 означает, что на 13 массовых частей угля приходится 2 массовые части каустической соды.

Все большее распространение получают сухие порошкооб­разные УЩР, приготовляемые заводским способом, так назы­ваемые ПУЩР. Рецептура таких ПУЩР различна и колеблется от 15:2 до 10:2. Порошкообразный УЩР поставляется в бу­мажных мешках. Он удобен в работе, так как добавляется в глинистый раствор без какой-либо предварительной подготов­ки. Однако хранить такой реагент трудно, так как возможно самовозгорание. Кроме того, качество сухого УЩР может су­щественно изменяться.

В торфощелочном реагенте (ТЩР) активные ве­щества представлены натриевыми солями гуминовых кислот, поэтому он во многом аналогичен УЩР. Торфощелочной ре­агент менее активен как понизитель водоотдачи, отличается по­вышенной вязкостью, передавая это свойство и обрабатываемо­му им раствору. Добавка ТЩР к промывочной жидкости реко­мендуется для борьбы с небольшими поглощениями, так как полученные растворы имеют повышенную вязкость и содержат волокна торфа, закупоривающие каналы ухода промывочной жидкости.

Состав компонентов для приготовления ТЩР примерно тот же, что и для УЩР. Применение его целесообразно в районах, где добывается торф.

Нитрогуматные реагенты получают путем окисле­ния бурого угля 8%-ной азотной кислотой при температуре 50—60 °С и перемешивании массы с соотношением жидкой и твердой фаз 5:1. Из этой группы реагентов применяется суль­фированный нитрогуматный реагент (СНГР), который получают дополнительной обработкой (сульфированием) угля бисульфи­том натрия в присутствии щелочи. Нитрогуматные реагенты хо­рошо сочетаются с известковой обработкой.  Они добавляются

в количестве 3—5%.

Хромгуматные реагенты представляют собой продукты окисления бурого угля хромпиком. Они используются как реагенты общеулучшающего действия при повышенных забой­ных температурах. При отсутствии заводского реагента анало­гичный эффект получается раздельным введением в раствор УЩР и хроматов (бихроматов) в количестве до 0,2%.

 

 


Реагенты-разжижители

 

К реагентам-разжижителям относятся реагенты на основе лигнина, танниды, кремнийорганические жидкости.

Лигнин — вторая после целлюлозы составная часть (до 30—35%) древесины, отход целлюлозно-бумажной и гидролиз­ной промышленности. Компоненты, ухудшающие качество бу­маги при ее производстве из древесины, в том числе лигнин, удаляют, обрабатывая древесину кальциевой, натриевой или аммонийной солью сернистой кислоты. Лигнин превращается в водорастворимое соединение — лигносульфоновые кислоты, ко­торые являются основой производства реагентов-лигносульфонатов. Они не подвержены бактериальному воздействию, устойчи­вы при длительном хранении.

Сульфит-спиртовая барда (ССБ) представляет собой смесь кальциевых, натриевых и аммонийных солей сульфоновых кислот. Густая темно-коричневая жидкость с харак­терным запахом и плотностью 1,2—1,3 г/см3 содержит до 50% сухого вещества. Имеются твердые и сухие порошкообразные разновидности ССБ, которые получаются после выпаривания воды.

Химически ССБ относится к кислым средам (рН = 3,5÷4,5). Приготовление реагента заключается в разбавлении ССБ водой так, чтобы масса сухого вещества составляла 30% на единицу объема реагента. Для улучшения качества реагента в него до­бавляют водный раствор каустической соды с содержанием ее 15—20 кг на 100 кг сухого вещества.

Обработка ССБ концентрированным едким натром недопу­стима: лигносульфонаты коагулируют с образованием густой резиноподобной массы. В концентрированных растворах хлори­стых натрия, кальция и магния ССБ не растворяется. Основное назначение ССБ — разжижение глинистых растворов из каль­циевых глин. При этом несколько снижается показатель фильт­рации и существенно, иногда до нуля, — статическое напряже­ние сдвига. Глинистая корка растворов, обработанных ССБ, от­личается уплотненностью. Концентрация реагента ССБ в гли­нистом растворе может достигать 20—25%.

Поверхностная активность лигносульфонатов приводит к об­разованию устойчивой пены в глинистом растворе. Пенообразование возникает при концентрации ССБ 0,2—0,3% и быстро возрастает по мере увеличения количества реагента. Чрезмер­ное содержание воздуха в глинистом растворе может вызвать остановку насосов, поэтому при больших концентрациях ССБ в растворы одновременно вводят пеногасители.

Конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ) представляет собой модифицированный реагент ССБ, конденсированный с формальдегидом в присутствии фе­нола. По внешнему виду этот реагент напоминает ССБ, но име­ет плотность 1,12—1,14 г/см3 и содержит 18—20% сухих ве­ществ.

КССБ — эффективный разжижитель и понизитель водоотда­чи как пресных, так и минерализованных растворов, вызывает уменьшение толщины глинистой корки. Статическое напряжение сдвига растворов, обработанных КССБ, снижается, но в мень­шей степени, чем при обработке ССБ. Весьма эффективна КССБ в условиях сульфатной и хлоркальциевой агрессий. Особенно успешно она применяется при обработке утяжеленных глинистых растворов.

КССБ добавляют в количестве 0,5—4% в пересчете на сухое вещество. В специальные растворы можно добавлять и большее количество. Так как нейтрализация лигносульфоновых кислот после конденсации проводится щелочью, то КССБ используют без добавок каустика. При высоких концентрациях возможно пенообразование в обработанных растворах. КССБ может быть в жидком и порошкообразном видах.

Хромлигносульфонат (окзил) — окисленная ССБ. Получают его при обработке ССБ хроматами с серной кисло­той. Реагент комбинированного действия, активный разжижи­тель, особенно при рН = 9÷10. Стабилизируя дисперсную систе­му, он снижает водоотдачу, увеличивает глиноемкость раство­ров. В отличие от гуматов, окзил находится в жидкой фазе и активно адсорбируется твердой фазой, особенно глиной. Часть его разлагается, и освобождающиеся ионы хрома вытесняют из обменного комплекса другие катионы, необменно фиксируются глиной, ингибируют ее. При большом засолении окзил предот­вращает коагуляционное загущение, но теряет способность сни­жать водоотдачу. Концентрация окзила в растворах может со­ставлять до 10%.

Феррохромлигносульфонат (ФХЛС) — окислен­ная ССБ, продукт модификации ССБ хромом и железом. По сравнению с хромлигносульфонатом ФХЛС обладает более вы­сокой ингибирующей способностью и более активно снижает во­доотдачу, добавляется в количествах до 4—10%.

Действие хромлигносульфонатов усиливается при комбини­ровании их с другими реагентами, в частности с гуматами.

Окисленный лигнин — продукт окисления гидролиз­ного лигнина, который является отходом при производстве спирта и других пищевых, кормовых и технических продуктов. В зависимости от способа обработки получают различные про­изводные лигнина. В результате окисления лигнин приобретает способность растворяться в воде.

Окисленные лигнины поставляются в виде коричневых по­рошков, которые растворяются в воде, содержащей 2—3% ед­кого натра. В водном растворе реагента содержится примерно 10% окисленного лигнина. Реагент устойчив при хранении. Для агрессивных сред он непригоден.

Нитролигнин получают путем окисления лигнина азот­ной кислотой. Од отличается от исходного лигнина меньшей относительной молекулярной массой, вводится в количестве 0,5—3% в пересчете на сухое вещество. Нитролигнин —доволь­но сильный разжижитель пресных и слабоминерализованных хлорнатриевых растворов, но в присутствии солей кальция те­ряет способность растворяться. В таких условиях он применя­ется совместно с реагентами,    связывающими    ионы кальция.

При добавках в пресные растворы до 2% нитролигнина резко снижается водоотдача.

Сунил (сульфированный нитролигнин) получается путем сульфирования нитролигнина солями сернистой кислоты в нейт­ральной среде. Сунил представляет собой хорошо растворяю­щуюся в воде жидкость черного цвета 14—18%-ной концентра­ции, химически нейтрален. Он разжижает как пресные, так и минерализованные растворы, в том числе растворы, загустев­шие от добавки гипса и цемента. Как разжижитель сунил при­меняется в виде 10%-ного раствора, оптимальная концентрация его до 0,2—0,3% в пересчете на сухое вещество. При добавках более 2% он эффективно снижает водоотдачу пресных и слабо­минерализованных растворов. В минерализованных натриевых ислабоминерализованных кальциевых растворах сунил как по­низитель водоотдачи неэкономичен. Он предупреждает набуха­ние глинистых пород, повышает устойчивость стенок скважин.

Игетан получают обработкой гидролизного лигнина азот­ной кислотой и кальцинированной содой. Это порошок темно-бурого цвета, по своему действию подобен сунилу, но разжи­жающее действие его несколько больше. Игетан добавляется как в виде порошка,так и в виде растворов 10%-ной концент­рации в количестве 0,2—0,3% в пересчете на сухое вещество. Игетан разжижает исильноминерализованные растворы, обра­ботанные органическими структурообразователями.

Танниды используются как синтетические (фенольного происхождения), так и природные (растительные). В основе химической природы этих реагентов лежат полифенолы — ве­щества, состоящие из конденсированных фенолов и образующие относительно высокомолекулярные продукты.

Полифенол лесохимический (ПФХЛ) — синтети­ческий реагент, сырьем для производства которого служат фе­нолы из экстракта кислой воды — отхода сухой перегонки дре­весины. Фенолы конденсируют с помощью формальдегида и для повышения гидрофильности обрабатывают сульфитом нат­рия. ПФХЛ вводится в количестве 0,4—0,5%. Он представляет собой твердое вещество темно-коричневого цвета, применяется совместно с каустической содой в соотношении от 10:1до 2:1 в виде 10%-ного водного раствора. Разжижающая способность его высокая, но даже небольшие минерализация и нагревание резко ухудшают ее. При больших концентрациях несколько сни­жает водоотдачу, но при этом может быть вспенивание раст­вора.

Сулькор — природный таннид, получаемый из щелочной вытяжки или одубины — отходов производства дубильного экс­тракта. Он представляет собой твердое вещество темно-корич­невого цвета, хорошо растворимое в воде. Наряду с разжиже­нием сулькор снижает водоотдачу. По действию он аналогичен сунилу, но более эффективен, добавки его составляют 0,1—0,5% в пересчете на сухое вещество. Сулькор вводится в виде водного раствора 10%-ной концентрации.

Кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11— этилсиликонат натрия, полимерный продукт, приме­няемый для разовой обработки высоковязких глинистых раство­ров с целью снижения вязкости и статического напряжения сдвига, особенно при термическом загустевании. Эти жидкости часто применяются в комбинации с другими реагентами-стаби­лизаторами. Рекомендуемые добавки их — до 1%. Они улучша­ют смазочные свойства промывочных жидкостей.

 

 


Реагенты-структурообразователи

 

 

Реагенты-структурообразователи снижают водоотдачу про­мывочных жидкостей, повышая при этом ее реологические свой­ства. К ним относятся реагенты на основе водорастворимых эфиров целлюлозы, крахмальные реагенты, биополимеры, реа­генты на основе синтетических акриловых полимеров.

Целлюлоза составляет основу растительных клеток. Она обладает высокой механической и химической прочностью, не­растворима в воде и в большинстве растворителей. Целлюло­за — естественный полимер с очень высокой степенью полиме­ризации. Для получения химических реагентов из целлюлозы ее вначале обрабатывают щелочью, что приводит к изменению длины цепи молекулы и уменьшению относительной молекуляр­ной массы целлюлозы. В результате реакции со щелочью обра­зуются простые и сложные эфиры целлюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза КМЦ — продукт вза­имодействия щелочной целлюлозы с натриевой солью монохлор-уксусной кислоты. Молекула КМЦ представляет собой длинную цепочку, которая образуется шестизвенными углеводными цик­лами, соединенными атомами кислорода. В зависимости от сте­пени полимеризации относительная молекулярная масса КМЦ может изменяться. Выпускают КМЦ следующих типов: низко­вязкую КМЦ-350, средневязкую КМЦ-500, высоковязкую КМЦ-600 и КМЦ-700 — здесь числа обозначают количество повторений цикла.

Промышленная КМЦ имеет вид скомковавшейся ваты бело­го или желтоватого цвета. Как реагент КМЦ используется в виде водного раствора обычно 10%-ной концентрации, для чего КМЦ предварительно замачивают. Готовый реагент имеет вид крахмального клейстера.

Эффективность КМЦ зависит от степени минерализации и рН раствора. Наиболее эффективна КМЦ в нейтральных и слабощелочных пресных водах и при небольшой минерализа­ции дисперсионной среды. При рН = 6 КМЦ выпадает в осадок, а при рН-9 свертывается от избытка щелочи. Чем выше степень полимеризации КМЦ, тем более устойчива она к солевой агрес­сии, тем эффективнее снижает водоотдачу. С ростом минерали­зации глинистого раствора КМЦ начинает действовать как разжижитель, при этом снижается способность КМЦ уменьшать водоотдачу, стабилизирующие свойства КМЦ падают.

Низко- и средневязкие КМЦ коагулируют под действием ионов кальция. Высоковязкие КМЦ способны снижать водоот­дачу глинистых растворов, содержащих до 1% хлористого каль­ция. Количество добавки КМЦ зависит от ее марки, степени минерализации раствора, вида минерализации и колеблется от 0,2 до 2%. В растворе с небольшим содержанием твердой фазы добавка КМЦ может вызвать разжижение. Однако при доста­точно высоком содержании твердой фазы КМЦ усиливает структурообразование, объединяя частицы, даже находящиеся за пределами действия молекулярных сил.

Так как раствор КМЦ имеет щелочную реакцию и обладает пептизирующими свойствами, применение его при бурении в легко набухающих глинистых породах ограничено. Водный раствор КМЦ не выдерживает длительного хранения. Он окис­ляется кислородом воздуха, что сопровождается снижением вязкости раствора. При температуре 150 °С и выше КМЦ раз­лагается. КМЦ широко применяются как стабилизаторы в раст­ворах специального назначения, где они используются в ком­бинации с другими реагентами.

Карбофен — это КМЦ, в молекулу которой введен фенол. Карбофен устойчив при повышенных температурах, действует как КМЦ.

Добавляют в КМЦ и другие вещества, основное назначение которых — повышение термостойкости. Эти разновидности КМЦ (карбанил, карбаминол и др.) более устойчивы.

На основе эфиров целлюлозы разработан также ряд реаген­тов более устойчивых к воздействию кальциевых солей. Сюда относятся сульфат целлюлозы и модифицированная метилцеллю-лоза. Последняя устойчива к действию поливалентных катионов яри содержании хлористого кальция до 7%.

Крахмал, являясь естественным растительным продуктом, представляет собой природную смесь полисахаридов. Он со­стоит из линейного полисахарида (амилозы) и разветвленного полисахарида (амилпектина), образованных углеводородными звеньями, из которых состоит целлюлоза, но связанных иначе. Крахмал обладает очень большой относительной молекулярной массой, гидрофилен, применяется как понизитель водоотдачи глинистых растворов и других дисперсных промывочных жид­костей независимо от степени их минерализации и состава. По­этому крахмал добавляют в промывочные жидкости в условиях хлоркальциевой и хлормагниевой агрессий.

Крахмал применяют чаще всего в виде клейстера 5— 10%-ной концентрации. Так как в холодной воде он нераство­рим, клейстеризацию его на буровых осуществляют щелочью. Его замачивают водой, в которую добавляется 1—2% едкого натра. Можно готовить крахмальный реагент и путем нагрева­ния смеси крахмала с водой до температуры 80—90 °С при по­мешивании, но такой способ менее удобен в полевых условиях.

Готовый реагент добавляют в количестве 0,5—3%  (в переводе на сухое вещество). Так как крахмал вызывает повышение вязкости, его часто добавляют совместно с реагентами-разжи-жителями.

В последние годы все шире применяется модифицированный крахмал, легко растворимый в холодной воде без введения вспомогательных веществ. Одна из разновидностей такого крах­мала получается при введении в него в заводских условиях со­лей алюминия с последующим нагреванием и сушкой. Он добав­ляется непосредственно в раствор.

Крахмал ферментативно неустойчив (загнивает). Загнивание предупреждают либо повышением рН раствора до 12, либо введением антисептиков типа формалина, крезола и др. Крах­мал обладает низкой термостойкостью. Следует иметь в виду, что это — ценный пищевой продукт, поэтому его следует приме­нять в крайних случаях, когда другие реагенты-стабилизаторы оказываются неэффективными.

Декстрин получается при гидролизе крахмала. Он пред­ставляет собой порошок белого цвета, хорошо растворимый в холодной и горячей воде, вводится в сухом виде в количестве до 2%. Декстрин предназначен для обработки высокоминерали­зованных буровых растворов и по эффективности стабилизации превосходит крахмал. Наилучший эффект стабилизации дости­гается при рН = 8÷9. Кислота оказывает на декстрин разлагаю­щее действие.

Биополимеры — реагенты, получаемые путем микробио­логического синтеза из сахарозы. Они представляют собой по­лисахариды. Из биополимеров известны декстрин, ХС, реагент БП-1 и др. Биополимеры устойчивы к солевой агрессии, обес­печивают термостойкость растворов до 150 °С, хорошо совмес­тимы с другими химическими реагентами, особенно эффективны в растворах с небольшим содержанием твердой фазы, хорошо снижают гидравлические сопротивления. Концентрация биопо­лимера в растворе колеблется от 0,05 до 1,5%.

К недостаткам биополимеров относятся их высокая стои­мость, ферментативная неустойчивость (что требует добавки бактерицидов — антиферментов), недостаточно интенсивное снижение фильтрации (до 10 см3).

Из реагентов на основесинтетических акри­ловых полимеров наиболее распространены в бурении полиакриламид, полиакрилонитрил и продукты их гидролиза. Они представляют собой высокомолекулярные вещества, кото­рые характеризуются молекулярной массой, конфигурацией и конформацией макромолекул, прочностью химических связей. Продукты полимеризации нитрила акриловой кислоты неустой­чивы к агрессии хлоридов поливалентных металлов.

Адсорбируясь на частицах твердой фазы, создавая изоли­рующие слои, эти реагенты предупреждают пептизацию, флокулируют частицы твердой фазы и в целом создают эффект ингибирования. Побочным эффектом является пластификация, что приводит к уменьшению гидравлических сопротивлений при течении жидкостей, обработанных полимерными реагентами.

Полиакриламид (ПАА) — органический карбоцепной гомополимер линейного строения.Его получают путем превра­щений следующих веществ:этилен—>окись этилена—>

этилен-циангидрин нитриакриловой кислоты—>акриламид—>полиа­криламид. Относительная молекулярная масса полиакриламида колеблется от 150 000 до 15 000 000 при относительной молеку­лярной массе мономера (акриламида) 71. Вязкость водного раствора полиакриламида зависит от рН. При рН-7 макромоле­кула полиакриламида имеет свернутую конформацию, что при­водит к увеличению вязкости раствора. Водные и щелочные растворы его являются полиэлектролитами. Катионоактивная группа макромолекулы полимера — NH3+, анионоактивная — СОО-. Наличие зарядов в молекулах полимера обусловливает их адсорбцию на бурильных трубах, на стенках скважины и частицах горной породы, оказывает ингибирующее действие.

Растворы ПАА устойчивы при общей минерализации вод до 3 г/л и при общей жесткости до 13 ммоль/л. Полиакриламид применяется в порошкообразном, гранулированном и гелеоб-разном видах. Гранулированный ПАА содержит 50—60% 100%-ного ПАА, гелеобразный — б—8%. В холодной воде он растворяется очень медленно, при перемешивании в глиноме­шалках может наматываться на валы и лопасти, хорошо раст­воряется в воде, нагретой до 80—90 °С, вводится в виде вод­ного 1—2%-ного раствора. Концентрация его в промывочной жидкости может доходить до 0,2—0,3% в переводе на сухое вещество.

Гидролизованный полиакриламидРС-2 содер­жит полиакриламид, каустик и полифосфат в соотношении 1:1:1 (в пересчете на сухое вещество), прореагировавшие в результа­те гидролизации. Последняя заключается в расщеплении поли­меров с присоединением к продуктам расщепления водорода и гидроксила и последующим замещением водорода натрием. Гид­ролиз происходит при перемешивании компонентов с водой до получения однородной массы. Готовый реагент содержит 1—2% сухого вещества, имеет плотность около 1 г/см3, вязкость 75— 90 с.

РС-2 применяется для снижения водоотдачи пресных и сла­боминерализованных растворов обычно с небольшим содержа­нием твердой фазы. Добавка его составляет до 2%, при боль­ших добавках значительно увеличивается вязкость раствора.

Гидролизованный полиакрилонитрил (ти­пан) — продукт омыления полиакрилонитрила каустиком. Он представляет собой вязкую, желтоватого цвета жидкость 8— 10%-ной концентрации, морозоустойчив, стойкий к загниванию, обеспечивает устойчивый низкий показатель фильтрации, приво­дит к некоторому росту вязкости, снижает СНС. Гипан активен в минерализованных водах, придает растворам термостойкость, добавляется в количестве до 2%.

При разбуривании глин в растворы, обработанные гипаном, рекомендуется вводить силикат натрия. Гипан может изменять свойства в зависимости от сроков хранения.

Реагенты К- 4, К- 6, К- 9 являются разновидностями гипана, более устойчивыми к минеральной агрессии, добавляются в количестве до 1%.

Метас — сополимер метакриловой кислоты и метакриламида. Это — белый порошок, растворимый в 1—2%-ном раство­ре едкого натра, применяется в виде 5—10%-ного водощелоч-. ного раствора при соотношении метаса и щелочи от 10:3,5 до 10:5. При рН = 9÷10 метас можно вводить в раствор в виде порошка.

Добавки 0,2—1% метаса эффективно снижают водоотдачу пресных растворов, а 2—2,5%—насыщенных хлористым нат­рием. При обработке растворов, содержащих ионы кальция, ме­тас вводится совместно с кальцинированной содой или фосфа­тами, концентрация которых должна составлять  1—2%.

Акриловый сополимер М-14 — карбоцепной разветв­ленный полимер. Он представляет собой белый порошок, хоро­шо растворяется в водощелочных растворах при соотношении М-14 и щелочи, равном 10:3. При рН>10 реагент можно вво­дить в раствор в сухом виде, если рН<10 — в виде водощелоч­ных растворов 5%-ной концентрации. Оптимальная концентра­ция в переводе его на сухое вещество составляет до 1,5%, ис­пользуется для поддержания структурно-механических свойств и снижения водоотдачи.

 

 

 


Вещества специального назначения

 

К веществам специального назначения относится большая группа поверхностно-активных веществ, а также некоторые ве­щества узкоцелевого назначения.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) характеризуются, как правило, многофункциональным действием, которое обус­ловлено понижением поверхностного натяжения раствора вслед­ствие адсорбционного эффекта. Однако вследствие специфики их химического состава и строения, особенностей дисперсион­ной среды и геолого-технических условий применения каждое ПАВ действует наиболее активно в каком-то направлении. Это делает предпочтительным применение вещества для определен­ного целевого назначения.

Адсорбционный слой ПАВ имеет предельно малую величину (мономолекулярный слой). Даже очень небольшие добавки ПАВ могут резко изменить условия молекулярного воздействия на поверхности раздела. Для ПАВ характерно наличие в их мо­лекуле двух различных по природе групп: полярной (гидрофиль­ной), растворимой в воде, и углеводородного радикала  (гидрофобного), не растворимого в воде, но растворимого в углеводо­родных жидкостях. Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое происходит вследствие обращения их полярной части к воде, а углеводородного радикала — к менее полярной фазе, на­пример к твердой, воздуху и т. д. Для проявления поверхност­но-активных свойств ПАВ должны быть растворены в воде.

По составу и химическим свойствам ПАВ делятся на два класса: ионогенные и неионогенные. Первые в свою очередь делятся на анионоактивные и катионоактивные. В бурении при­меняются в основном неионогенные и анионоактивные вещества.

По внешнему виду ПАВ представляют собой жидкие или пастообразные вещества. При растворении в воде они придают ей беловатый цвет, добавка их составляет 0,1—2%, реже 3—5%.

Основное назначение ПАВ сводится к следующему.

1.   Поддержание естественной проницаемости продуктивных коллекторов. Вещества, применяемые в качестве добавок к про­мывочным  жидкостям   при   вскрытии  продуктивных  коллекто­ров,  должны  эффективно    снижать  поверхностное  натяжение фильтрата,  растворяться в пресной  и пластовой  водах, иметь сравнительно небольшую гидрофильную часть, а также не вы­зывать ухудшения    свойств    промывочных   жидкостей. Больше
всех соответствуют перечисленным выше требованиям неионо­генные ПАВ, наиболее распространенные из них ОП-7 и ОП-10,азоляты, УФЭ.

2.      Понижение  твердости  горных  пород  при  бурении.  ПАВ избирательно  воздействуют на твердость горных пород, и не­редко наиболее эффективное для  конкретной  породы  вещест­во  удается   найти  только  после длительных  лабораторных  и промышленных экспериментов.  Теоретически  в  существующем комплексе поверхностно-активных веществ могут быть найдены эффективные понизители твердости бурения для каждой породы. Наиболее широко применяются провоцелл, сульфонол, диталан, сульфатное мыло.ПАВ наряду с понижением прочности твердых горных по­род вследствие адсорбционных явлений уменьшают абразивное действие промывочной жидкости и в связи с этим снижают из­нос породоразрушающего инструмента.

3.   Эмульгирование промывочной жидкости. Задача эмульга­торов — диспергирование эмульгируемой фазы и создание вокруг глобул механически прочного барьера, препятствующего их слипанию. Это способствует снижению водоотдачи и появлению
других  положительных свойств. Эмульгирование  повышает
смазочные свойства промывочной жидкости, предупреждая тем самым вибрацию бурильного инструмента и его преждевремен­
ный износ.

Эффективность ПАВ-эмульгаторов значительно зависит от степени минерализации пластовых вод и дисперсионной среды, в которую они вводятся. Оптимальные концентрации их определяются конкретными условиями применения, в большинстве случаев добавки составляют 1—2% и могут доходить до 5%.

Наиболее широко применяются композиции из ПАВ и дру­гих продуктов переработки нефти.

Кожевенная паста — товарный продукт, выпускаемый отечественными нефтеперерабатывающими заводами для нужд кожевенной промышленности. Она представляет собой веретен­ное масло, загущенное натровыми мылами синтетических жир­ных кислот из продуктов окисленного петролатума, это одно­родная масса желтого или коричневого цвета. Паста вводится в промывочную жидкость в концентрации 0,5—2%. Получаемая при ее растворении в воде эмульсия имеет светло-кремовый цвет и представляет собой многокомпонентный водный раствор натровых мыл окисленного петролатума и его неомыленного остатка, в котором в виде тонкодисперсной фазы распределено минеральное масло. Паста применяется при жесткости воды до 2,5—3,5 ммоль/л.

Мылонафт — вещество, представляющее собой смесь натровых мыл нафтеновых (нефтяных) кислот, собственно наф­теновых кислот, небольшого количества минерального масла и воды. Мылонафт нерастворим в воде, инертен по отношению к температуре окружающей среды, безопасен в обращении. Оптимальная концентрация его в эмульсии 0,5—1%, он приме­няется при жесткости до 2,5—3,5 ммоль/л.

Эмульсол ЭЛ-4 представляет собой композицию на базе трансмиссионного масла и натрового мыла полимеров канифольно-экстракционного производства с добавкой ОП-7. Это — однородная пастообразная маслянистая масса темно-коричнево­го цвета, эмульгирует при постепенном введении воды и непре­рывном тщательном размешивании. Концентрация эмульсола в промывочной жидкости 0,5—6%, он применяется при повышен­ных жесткости и минерализации.

Эмульсол ЭН- 4 — композиция на базе индустриального масла ИС-20 или ИС-45 и жирных кислот с добавкой ОП-10. Это — однородная жирная масса коричневого цвета, эмульги­рует при введении теплой воды и одновременном перемешива­нии. Концентрация змульсола в промывочной жидкости до 5%. Он применяется в жестких водах и при высокой их минерализа­ции. При добавке эмульсола получают морозоустойчивые эмульсии.

Смесь гудронов масложировой промышленности (СГ)—вещество темного цвета, получаемое расщеплением жи­ров растительного и животного происхождения. Она эмульги­рует при введении горячей воды с одновременным перемеши­ванием. Концентрация ее в промывочной жидкости 2—2,5% применяется в водах с жесткостью до 2 ммоль/л.

Сульфатное мыло (СМ)—побочный продукт производ­ства целлюлозы. Это —мазеобразная темно-коричневого цвета жидкость, хорошо смешивается с водой. Оптимальная концентрация ее в промывочной жидкости до 2%, применяется в водах с жесткостью до 2 ммоль/л.

Талловое масло (ТМ)—продукт обработки сульфат­ного мыла серной кислотой. Это — густая маслянистая жидкость темно-коричневого цвета, эмульгирует при введении горячей во­ды и одновременном перемешивании. Оптимальная концентра­ция ее 0,5—1,5%, применяется в мягких водах.

Эмультал — маслянистая жидкость темно-коричневого цвета, продукт этирификации жирных и смоляных кислот тал-лового масла триэтаноламином, концентрация его в промывоч­ной жидкости 1—2%.

Концентраты типа «Леонол» — продукты переработ­ки нефти. Они представляют собой однородные коричневые мас­сы, хорошо смешиваются с водой, добавляются вколичестве 1—5%, применяются в любых гидрохимических условиях.

Концентрат «Морозол-2» предназначен для получения эмульсионных растворов при бурении скважин в многолетне-мерзлых породах при температурах в скважине до —7,4 °С.

При использовании эмульгаторов для получения эмульсион­ных промывочных жидкостей при бурении в сложных геологи­ческих условиях прочие положительные эффекты, обусловлен­ные наличием ПАВ, будут сопутствующими. В устойчивых по­родах эмульгаторы могут добавляться для повышения смазоч­ных свойств промывочной жидкости (гашения вибраций) и сни­жения износа бурового снаряда. Б этом случае эффект эмуль­гирования будет сопутствующим, а эмульгаторы получают наз­вание поверхностно-активных антифрикционных добавок (ПААД).

4.  Повышение  смазочных  и   противоизносных  свойств  про­мывочного раствора. Смазочные добавки к буровым растворам создают на бурильной колонне, стенках скважины и в призабойной зоне прочные  и непрерывно возобновляющиеся адсорбционные слои, уменьшающие трение колонны о стенки, улучшающие отделение породы породоразрушающим  инструментом и повышающие его стойкость. Сюда относится большинство перечисленных эмульгаторов, а также смазочная добавка СМАД-1.

5.Пластифицирование    промывочных    жидкостей  с  целью снижения гидравлических сопротивлений.  Применение пластификаторов позволяет уменьшить величину гидравлических сопротивлений на 20—35%. Пластифицирующими свойствами обладают смазочные и противоизносные вещества.

6.    Аэрация промывочных жидкостей. Применение ПАВ для этой цели позволяет получить стабильные растворы, насыщен­ные высокодиспергированными пузырьками воздуха. Здесь ис­пользуются ПО-1, ПО-К-18,  ОП-7, ОП-10, ДС, азоляты и ряд других веществ. Концентрация ПАВ при аэрации не превышает 1 - 2%.

7.      Пеногашение. Добавки ПАВ-пеногасителей позволяют успешно бороться с естественным

насыщением промывочной жидкостей дисперсной газовой фазой при помощи физико-химиче­ских методов. Чрезмерное содержание газовой фазы ухудшает подачу буровых насосов, а также может привести к выбросам. Для дегазации используются ПАВ более поверхностно-актив­ные, чем вещества, вызвавшие аэрацию. Сюда относятся пено-гасители нефтехимического происхождения: нейтрализованные контакты — черный (НЧК), керосиновый, газойлевый; соли сульфонафтеновых кислот; полиметилсилоксан. Оптимальные концентрации этих веществ составляют от 0,05 до 2—3%.

Прочие вещества специального назначения — вещества, не обладающие поверхностно-активными свойствами.

Смазочные и противоизносныевеществанефть и графит в порошке. Оптимальные концентрации: неф­ти— до 10%, графита — до 2%.

Пластифицирующие вещества — полимеры-акрилаты и кремнийорганические жидкости ГКП-10, ГКЖ-10. ГКЖ-11, представляющие собой этилсиликонаты натрия. До­бавки их составляют 0,6—0,8%. Они обладают смазочными свойствами.

Пеногасители (суспензионные) — полиэтиленовая и ре­зиновая крошка в смеси с дизельным топливом в соотношении 1:10.

Ингибиторы коррозии — главным образом неоргани­ческие вещества, нейтрализующие окисляющую среду. При ис­пользовании легкосплавных бурильных труб к промывочной жидкости добавляют силикат натрия.

Антиферментаторы предупреждают и подавляют про­цесс разложения (гниения) ферментативно неустойчивых ком­понентов промывочных жидкостей. Наибольшее распростране­ние получили формалин и фенолы.

Вещества, повышающие термостойкость про­мывочных жидкостей, — хроматы и бихроматы.

Основные требования к специальным добавкам (кроме обес­печения эффекта, для которого они предназначены) — сохране­ние и улучшение структурно-механических и фильтрационных характеристик исходных промывочных растворов. Однако вы­держать это требование удается далеко не всегда. Так, сульфонол, уменьшая трение между металлом и глинистой коркой, од­новременно снижает вязкость и статическое напряжение сдвига приводит к вспениванию, а добавка нефти в качестве пеногасителя может вызвать загустевание глинистого раствора. Эти по­бочные эффекты необходимо учитывать.

 

 


УТЯЖЕЛИТЕЛИ

 

Основные виды утяжелителей — барит и железистые утяже­лители. К железистым утяжелителям относятся гематит и маг­нетит. Утяжелители характеризуются плотностью, абразивностью, тонкостью  помола, содержанием  химически  активных примесей и утяжеляющей способностью.

БаритBaSО4 — минерал белого, голубого или красного цвета, имеет плотность 4,2—4,6 г/см3, невысокую твердость (по шкале Мооса 3—3,5), малую абразивность. В бурении приме­няют преимущественно баритовые концентраты производства обогатительных фабрик цветной металлургии, реже баритовые руды. Флотационный барит хуже по качеству, так как содер-жит вредные примеси флотореагентов и водорастворимые соли. Тонкость помола характеризуется величиной остатка после про­севания на сите с сеткой № 009К, который составляет не более 4%. Наиболее распространенный и качественный утяжелитель.

ГематитFe2O3 —одна из важнейших железных руд. Цвет его от вишнево-красного до стального серого, плотность 5 до 5,3 г/см3, более высокая абразивность, чем у барита (в 5— 6 раз больше), твердость по шкале Мооса — 5,5—6.

Магнетит FeOFe2O3 — черного цвета со слабым металли­ческим блеском, мало отличается от гематита по плотности, абразивности и прочности, но обладает магнитными свойства­ми. Последнее приводит к взаимодействию магнетита с буриль­ными и обсадными трубами с образованием плотных слоев и сальников, уменьшающих площадь сечения скважины, что в ко­нечном счете создает условия для прихватов бурового снаряда.

Железистые   утяжелители   применяются   ограниченно.

Подчиненное значение имеют утяжелители, представляющие собой горные породы плотностью до 3 г/см3 со сравнительно небольшой гидрофильностью. К ним относятся малоколлоидаль­ные глины, мергели, мел, известняк и др. Вследствие их инерт­ности они могут быть введены в раствор в значительно боль­ших количествах, чем обычная глина. Утяжелители этого типа имеют низкий предел утяжеления (не более 1,6—1,7 г/см3), при этом для приведения остальных параметров раствора в норму требуется большой расход химических реагентов.

 

НАПОЛНИТЕЛИ

 

В качестве наполнителей используют промышленные отхо­ды. Наполнители делятся на волокнистые, пластинчатые (хлопьевидные) и зернистые (гранулированные). Их применя­ют как индивидуально, так и в различных комбинациях.

Наиболее часто применяются опилки, отходы кожевенного производства (кожа —«горох»), слюда, целлофан, резиновая крошка, подсолнечная лузга, шелуха хлопковых семян, скорлу­па орехов, текстильные волокна. Часть из них идет без предва­рительной обработки, некоторые подвергаются дополнительно­му измельчению. Реже применяют минеральные наполнители: измельченный перлит, вермикулит, гранулированный известняк.

В последние годы стали использовать пламилон — пластмас­совые микробаллоны, заполненные азотом. Такие микробаллоны служат одновременно и наполнителями, и облегченной твер­дой фазой, влияющей на реологические свойства раствора.

В зависимости от вида закупоривающих материалов добав­ки их колеблются в широких пределах: меньше добавляют пла­стинчатых материалов (0,1—1,5%), больше — волокнистых (до 8%), еще больше — минеральных наполнителей (до 10%). Раз­меры наполнителей изменяются от 1—5 мм для гранулирован­ных, до 3—9 мм для волокнистых веществ.

 

 

 


ГОМОГЕННЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ. ВОДА И ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ

 

 

Из промывочных жидкостей этой группы наиболее широко распространена техническая вода, не требующая никакой пред­варительной обработки. Ее используют при бурении в устойчи­вых породах. Вода — основной компонент промывочных жидко­стей на водной основе.

Солевые растворы

Солевые растворы представляют собой техническую воду с добавлением солей различного целевого назначения. Они при­меняются как противоморозные жидкости для бурения в зонах многолетнемерзлых пород, как жидкости, понижающие или предупреждающие выщелачивание солей при б