Перейти на главную страницу
При приготовлении эмульсии на базе глинистых растворов глинистые частицы, адсорбируясь на границе раздела фаз вода – углеводородная составляющая, стабилизируют глобулы и повышают устойчивость эмульсии. Чем выше качество глины, тем активнее ее стабилизирующее действие. Добавка нефти в глинистый раствор приводит к улучшению его общего качества, снижению водоотдачи, повышению коагуляционной устойчивости. Порода, слагающая стенки и забой скважины, гидрофобизируется, на ней и бурильном инструменте образуются смазочные пленки, препятствующие агрегированию частиц выбуренной породы и прихватам бурового снаряда. Кроме того, эмульсионным глинистым растворам присущи и все прочие эффекты, вызываемые ПАВ. Эмульсионные глинистые растворы с небольшим содержанием качественной глинистой фазы характеризуются параметрами: Т = 18-25 с, В = 3-7 см3, СНС = 1-2,5 Па.
Нефть добавляется в глинистый раствор в количестве 8-20 %. С ее введением уменьшается глиноемкость раствора, поэтому верхний предел ее содержания обусловлен требуемой плотностью и вязкостью раствора при соблюдении оптимального эффекта гидрофобизации. Эмульгаторы нефти и дизельного топлива в растворе – глинистая фаза и специально добавляемые реагенты. На устойчивость нефтеэмульсионного раствора влияет состав нефти, рост содержания в ней высокомолекулярных асфальтенов и смол снижает стабильность эмульсии. Таким образом, при достаточной концентрации и коллоидальности глинистой фазы с легкой нефтью можно получить нефтеэмульсионный раствор без химической обработки и добавки специальных эмульгаторов.
Стабильность нефтеэмульсионных растворов повышается химической обработкой исходных глинистых растворов, а также введением одновременно с нефтью химреагентов (NаОН, Nа2СОз, УЩР, ССБ и КССБ, КМЦ и др.), которые активизируют глинистую фазу как эмульгатор. Кроме того, защитные реагенты дополнительно повышают устойчивость эмульсий вследствие образования вокруг глобул высоковязких гидратированных оболочек. Если стабильность эмульсионного глинистого раствора недостаточна и наблюдается отстой нефтяной фазы, в раствор добавляют 0,5-2 % эмульгаторов: сульфонола, Nа-мыла, и др.
Нефтеэмульсионные растворы чаще приготовляют непосредственно на буровых установках путем введения нефти и эмульгаторов в желобную систему или во всасывающую линию бурового насоса в процессе циркуляции. Расчетное количество нефти и реагента должно быть введено за два-три цикла. В перемешивающих устройствах эмульсионный глинистый раствор с УЩР приготовляют следующим образом. Сначала заливают требуемый объем УЩР, добавляют примерно 1/3 требуемого количества воды и после кратковременного перемешивания вводят все расчетное количество глины. После растворения глины в полученную пасту постепенно вливают расчетный объем нефти. Затем нефтяную пасту разбавляют оставшейся водой и непрерывно перемешивают в течение 1 ч до образования эмульсионного раствора. При вспенивании в растворы вводят пеногасители.
При бурении в растворе необходимо поддерживать заданное количество нефти, так как с течением времени концентрация ее уменьшается за счет потерь со шламом и керном, образования фильтрационных корок и др. Существующие способы определения количества нефти в жидком растворе сложны, на практике ежесуточные потери нефти принимают из расчета 0,5-1 %.
Эмульсионные глинистые растворы широко применяются при бурении в соляных толщах и солесодержащих породах. В этих случаях стараются поддержать в растворе одинаковую минерализацию с пластовой солью.
В эмульсионный можно перевести любой глинистый раствор, в том числе и ингибированный. Такие растворы, сохраняя исходные свойства, приобретают качества эмульсионных растворов.
Качественные глинистые растворы, имеющие невысокую вязкость, но способные удерживать частицы утяжелителя во взвешенном состоянии, обрабатывают утяжелителем. Обычно утяжеляют глинистые растворы, предварительно обработанные химическими реагентами. Особое внимание уделяют структурно-механическим свойствам исходного раствора. Статическое напряжение сдвига подлежащего утяжелению раствора должно быть не менее 2 Па через 1 мин. Утяжелители к растворам добавляют в перемешивающие устройства, реже на буровых установках в процессе циркуляции раствора. Расход утяжелителя на 1 м3 исходного раствора для получения заданной плотности определяется по формуле
где у, г, 1 – плотности соответственно утяжелителя, заданного глинистого раствора, исходного раствора, кг/м3.
С учетом влажности утяжелителя
q = у(г 1)/(у г)(1 п + п1),
где п – влажность утяжелителя, доли единицы.
Утяжеление глинистых растворов сопровождается существенным повышением их вязкости и статического напряжения сдвига. Снижение вязкости разбавлением водой нецелесообразно, так как это ухудшает параметры раствора и вызывает необходимость добавки дополнительного утяжелителя. Поэтому понижать вязкость утяжеленных глинистых растворов следует химическими реагентами, содержащими небольшое количество воды, например хромлигносульфонатом, ПФЛХ. Добавки реагентов подбираются опытным путем.
Использование утяжеленных глинистых растворов приводит к существенному снижению механической скорости бурения.
Реологические свойства аэрированных глинистых растворов во многом зависят от воздухосодержания. Повышение плотности исходных глинистых растворов приводит к резкому увеличению параметров их реологических свойств. Поэтому для аэрации следует использовать качественные глинистые растворы с небольшим содержанием твердой фазы.
Аэрируются практически все промывочные жидкости. При степени аэрации более сорока аэрированные жидкости, в том числе и глинистые растворы, переходят в пены.
2.4. Меловые и сапропелевые растворы,
промывочные жидкости на основе выбуренных пород
Меловые растворы
Меловые растворы представляют собой группу растворов различного целевого назначения, в которых основной компонент твердой фазы – мел. Меловые растворы в условиях сложного физико-химического взаимодействия глинистой фазы с дисперсионной средой, сопровождающегося ухудшением качества раствора вплоть до гидрофобной коагуляции твердой фазы, выполняя все функции промывочных жидкостей, оказываются более устойчивыми.
Меловой порошок не дает в воде агрегативно устойчивой суспензии вследствие недостаточной гидратации поверхности. Стабилизация водной суспензии мела достигается введением 15 % таких реагентов, как КССБ, ССБ, УЩР, 1-2 % полимеров и ряда других веществ. Так как дисперсность мела меньше, чем дисперсность глин, и в процессе бурения она практически не изменяется, при использовании в качестве стабилизаторов лигносульфонатов необходимо вводить структурообразователь (0,5-2 % жидкого стекла, иногда – 4-5 % от массы мела, глинопорошка). Полимеры стабилизируют и структурируют меловой раствор.
Особенность меловых растворов – небольшая вязкость при значительной плотности. Можно получить легко перекачиваемые меловые растворы полностью 1,5-1,6 г/см3 без обработки понизителем вязкости.
При бурении в поглощающих горизонтах в меловые растворы вводят глину (до 50 % твердой фазы). Такие растворы получили название глинисто-меловых, они обладают повышенными вязкостью и статическим напряжением сдвига.
Меловые растворы применительно к конкретным условиям обрабатываются теми же реагентами, что и глинистые растворы, примерно в таком же соотношении и таком же порядке. В зависимости от состава они могут быть кальциевыми и высококальциевыми, известковыми, эмульсионными, силикатными при содержании жидкого стекла около 10 %. Параметры мелового раствора определяются его химическим составом.
По назначению меловые растворы классифицируются на:
растворы для нормальных геологических условий плотностью 1,2-1,26 г/см3 с обычной обработкой защитным коллоидом;
растворы для бурения в осыпающихся аргиллитах и глинистых сланцах кальциевые, высококальциевые и силикатно-меловые;
растворы для бурения в ангидритах и мелах – эмульсионные меловые и известковые;
растворы для вскрытия высоконапорных горизонтов плотностью до 1,6 г/см3;
растворы для бурения в поглощающих горизонтах – глинисто-меловые.
Меловые растворы готовят из порошкового или комового мела в фрезерно-струйных мельницах или глиномешалках. На приготовление мелового раствора требуется примерно в два раза больше времени, чем глинистого. В меловом растворе фракция размером менее 0,01 мм составляет всего 50-85 %. Обрабатывать меловую суспензию реагентами следует после полного перемешивания мела с водой. При необходимости меловые растворы аэрируются.
В зависимости от концентрации и вида сапропеля технологические свойства растворов колеблются в широких пределах: γ = 1,01-1,1 г/см3, в минерализованных – до 1,3 г/см3, Т = 25-40 с, В = 5-15 см3, СНС = 0-4 Па. Для регулирования свойств сапропелевых растворов используются: до 15 % УЩР и ТЩР, 1 % гипана, метаса, 2 % КМЦ, 15 % ССБ, различные щелочи и др.
Сапропелевые растворы делятся на ингибированные, эмульсионные, высокоминерализованные. Последние могут быть и обратными. Параметры таких растворов: γ = 1,01-1,02 г/см3, Т = 80-90 с, В = 0-3 см3, СНС = 1-3 Па. Высокоминерализованные растворы не требуют крахмальной обработки.
Сапропелевые растворы имеют ряд преимуществ: экономится дефицитная высококачественная глина; уменьшается загрязнение продуктивных пластов и окружающей среды; снижается абразивный износ бурильного инструмента; не требуются смазывающие добавки; улучшаются условия проведения геофизических исследований в скважине.
Естественные промывочные жидкости получаются в процессе бурения путем насыщения воды, содержащей поверхностно-активные вещества, частицами выбуренной породы. Кинетика перехода выбуренных пород в промывочную жидкость зависит в первую очередь от физико-химических свойств разбуриваемых пород и степени их диспергирования, физико-химического состава дисперсионной среды, степени взаимодействия твердой и жидкой фаз, активности, применяемых для обработки ПАВ и т.д. Повышение гидрофильности частиц неглинистых пород и увеличение устойчивости дисперсной системы происходит в результате образования на их поверхности адсорбционных слоев поверхностно-активного вещества. С увеличением концентрации поверхностно-активных веществ-стабилизаторов устойчивость системы возрастает. ПАВ избирательно адсорбируются на породах, поэтому для каждой разновидности пород применяется наиболее эффективное из них. Порой использование смеси нескольких ПАВ дает больший эффект, чем каждое вещество в отдельности.
Для обработки естественных промывочных жидкостей и придание им необходимых структурно-механических свойств используются практически все реагенты. В отдельных случаях, в качестве структурирующей добавки, применяются небольшие количества бентонитовых глин.
Естественным глинистым растворам свойственны все недостатки искусственно приготовленных.
Агрегативная устойчивость гидрофобно-эмульсионных растворов зависит от стабилизирующих свойств ПАВ, поэтому они обязательно должны содержать ПАВ-стабилизатор. Например, гидрофобная эмульсия с соляровым маслом (10 %) и нетоксичные стабилизаторы алкилоламиды синтетических жирных кислот фракции C10-C16 (1 %), остальное вода. Структурно-механические параметры эмульсии зависят от соотношения гидрофобной жидкости и воды и возрастают с увеличением количества воды, чем и вызван эффект предотвращения поглощения промывочной жидкости при бурении. При контакте с пластовыми водами в трещинах горных пород вязкость эмульсии резко увеличивается, что предупреждает поглощение. При бурении в отложениях ангидрита и соли, а также в породах с высоким содержанием кальция применяются нефтеэмульсионные растворы, эмульгатором и стабилизатором которых служит крахмал.
Известково-битумные растворы применяются для вскрытия продуктивных горизонтов с сохранением естественной проницаемости и для бурения в особо неустойчивых глинистых соленосных отложениях. В таких растворах дисперсионная среда представлена дизельным топливом, а дисперсная фаза – тонко размолотым окисленным битумом. Частицы битума обладают слабой способностью образовывать связнодисперсные системы, поэтому в растворы на нефтяной основе добавляют небольшое количество структурообразователей: окиси кальция, мыл жирных кислот, катионоактивных ПАВ.
Растворы на нефтяной основе готовят из порошкообразных концентратов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах или специальных установках. Концентрат содержит окисленный битум и негашенную известь с активностью не менее 60 % в соотношении от 1 : 1 до 1 : 2. Известь диспергирует битум, усиливая его коллоидную активность, образует соли и мыла, взаимодействуя с жирными нафтеновыми кислотами, является структурообразующим и утяжеляющим материалом. При отсутствии готовых концентратов используют их компоненты с добавкой до 1 % сульфонола. Последовательность приготовления: дизельное топливо – негашеная известь – вода с сульфонолом. Фильтрация таких растворов практически равна нулю. Вязкость и статическое напряжение сдвига зависят от концентрации извести и битума.
Растворы на нефтяной основе относительно дороги, пожароопасны, усложняют выполнение спуско-подъемных и вспомогательных операций, разрушают резиновые сальники и шланги, но при этом способствуют обеспечению устойчивости проходимых пород и сохранению проницаемости продуктивных пластов, уменьшают износ бурильного инструмента, снижают затраты мощности на вращение колонны бурильных труб и не замерзают в зимнее время.
3.2. Пены
Расширение масштабов геолого-разведочных работ в регионах с неблагоприятными геологическими условиями, в районах распространения многолетнемерзлых пород, ограниченного водоснабжения требует технологий и технических средств, обеспечивающих экономичность производства. Этим требованиям отвечают пены, применение которых в качестве очистного агента существенно повышает механическую скорость бурения и достоверность геологической информации за счет выхода керна, особенно в сложных горно-геологических интервалах, сокращает расход труб и затрат на тампонажные работы.
Пена – это гетерогенная полидисперсная многокомпонентная и относительно однородная система, состоящая из ячеек пузырьков газа, разделенных тонкими оболочками (около 1 мкм) жидкости. В пенах дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой – жидкость, содержащая пенообразователи. Пенообразователи поверхностно-активные вещества (ПАВ), способные резко снижать коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела двух фаз – спирты, жирные кислоты, мыла, белки. Благодаря особой структуре пены обладают механической прочностью, оцениваемой предельным напряжением сдвига. Прочность и устойчивость пен зависит от свойств пленочного каркаса, который определяется природой и концентрацией ПАВ на границе раздела воздух жидкость.
Степень адсорбции ПАВ из растворов на поверхности шлама зависит от минералогического состава, концентрации и типа пенообразователя. Концентрация ПАВ в растворе не рекомендуется более 1 %, так как при превышении этого значения возрастает давление и растет эрозия стенок скважины.
Пенообразующую способность характеризует кратность пены – отношение объема пены к объему раствора ПАВ
Рецептура пенообразователя, дополнительных реагентов и их концентрация подбирается для обеспечения соответствующих структурно-механических свойств пены в зависимости от конкретных условий. Пенообразующий раствор представляет собой водный раствор сульфонола с концентрацией 0,2-0,5 % по активному веществу, обеспечивающий достаточную стабильность пены при степени аэрации 50-250 для бурения в условиях устойчивого разреза. При появлении в скважине водопритоков с минерализацией до 2,5 г/л концентрация ПАВ увеличивается до 1-1,5 %. В неустойчивых слабосцементированных породах, особенно при забуривании скважины, используется высокостабильная пена на основе раствора ПАВ 0,5-1 % и 4-5 % глинопорошка, обеспечивающая создание на стенках скважины закрепляющей корки даже при наличии водопритоков.
При бурении в зонах распространения многолетнемерзлых пород и в условиях отрицательных температур окружающего воздуха для предотвращения замерзания пены в стволе скважины, пенообразующего раствора в отстойнике за время СПО в раствор вводят до 10 % CaCl2 или NaCl, одновременно повышая концентрацию ПАВ до 1-1,5 %. Рассолы с более высокой концентрацией обладают размораживающим действием.
3.3. Сжатый воздух
Сжатый воздух как промывочный агент применяется главным образом при бурении в сухих устойчивых, а также многолетнемерзлых пород, в районах, где затруднено обеспечение промывочной жидкостью, реже в водонасыщенных и неустойчивых породах, так как технология и организация продувки при этом значительно усложняются. Воздух сжимается в специальных, обычно передвижных компрессорных установках, которые располагаются недалеко от скважины. Перед использованием воздух должен быть соответствующим образом подготовлен: охлажден, очищен от капелек масла и воды. Применение сжатого воздуха позволяет за счет резкого снижения давления на породы забоя скважины, улучшения очистки и выноса выбуренной породы повысить механическую скорость бурения в 2-2,5 раза.
В сжатый воздух при бурении в осложненных условиях (водопроявления, липкие глины и т.д.) с помощью специальных устройств можно вводить в небольших количествах в виде мельчайших капелек воду или водные растворы ПАВ. Такой воздух является уже дисперсной системой с водной дисперсной фазой. При введении повышенных количеств воды образуется пена.
Механические глиномешалки делятся: по характеру действия – прерывное (цикловое) и непрерывное; по конструктивному исполнению – лопастные, роторные, шаровые; по расположению валов – с горизонтальным и вертикальным расположением. Лопастные глиномешалки делятся по числу валов на одновальные и двухвальные.
Механические глиномешалки используются для приготовления глинистых растворов как из комовых, так и из порошковых глин. Привод глиномешалок осуществляется от индивидуальных двигателей или через трансмиссию.
Механическое приготовление глинистых растворов
Оптимальное время приготовления глинистого раствора можно определить путем периодического отбора и исследования проб раствора. Первую пробу берут через 30 мин, а последующие с интервалом 15 мин. Процесс приготовления считается законченным, когда основные параметры раствора стабилизируются. Время приготовления порции глинистого раствора из сухих комовых глин колеблется от 40 мин до 2 ч. Чем выше качество глины и меньше влажность, тем больше требуется времени для приготовления раствора.
Механические лопастные глиномешалки отличаются простотой конструкции, но имеют и ряд существенных недостатков: сравнительно невысокую производительность; трудность доступа внутрь глиномешалки для выполнения ремонта и чистки; частые заклинивания и поломки лопастей при попадании в глину твердых включений большого размера; уменьшение рабочего объема глиномешалки при налипании глины на внутренние стенки.
Разновидность механических глиномешалок – фрезерно-струйные мельницы (ФСМ) непрерывного действия, применяемые для приготовления глинистых растворов из комовых глин и глинопорошков, и их утяжеления.
Преимущества ФСМ высокая производительность, как по комовым глинам, так и по глинопорошку; простота конструкции и небольшие габариты; высокая экономичность. Недостатками являются: низкое качество раствора, так как он содержит много нераспустившихся частиц глины, относительно высокая приводная мощность, исключающая применение ФСМ в отдаленных партиях с ограниченными энергетическими ресурсами. Кроме того, бесперебойная работа фрезерно-струйной мельницы обеспечивается только при механизированной загрузке исходных материалов.
В практике бурения глубоких скважин используется гидравлический способ приготовления глинистых растворов, при котором для разрушения части твердой фазы используется кинетическая энергия струи в гидравлических (гидромониторных, эжекторных) смесителях или гидромешалках.
Гидромониторные глиномешалки используют при бурении глубоких скважин. Производительность гидромешалок 40-120 м3/ч, давление жидкости перед насадками гидромониторов 4-10 МПа.
Гидравлические мешалки эжекторного типа (гидроворонки) используются для приготовления раствора из глинопорошка. Они представляют собой устройства непрерывного действия и при небольшой массе и габаритах отличаются высокой производительностью. Так, производительность гидравлической мешалки ГДМ-1 составляет по готовому раствору 70-90 м3/ч при объеме воронки 0,175 м3 и объеме бака 1 м3. Масса гидроворонки 1120 кг. Однако качество глинистого раствора, приготовленного в гидроворонках, довольно низкое, так как диспергирование частиц глинопорошка в процессе перемешивания с водой происходит недостаточно интенсивно. Оно может быть существенно улучшено многократным пропуском раствора через гидроворонку без добавления твердой фазы.
Необходимое количество глины при цикловом приготовлении раствора заданной плотности можно определить по формуле:
где ρр, ρв, ρг – плотности соответственно глинистого раствора, воды, глины, кг/м3. В формуле не учитывается влажность глины.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин", 080700 "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых" и м
23 09 2014
6 стр.
Гидростатика — это раздел гидравлики (механики жидкости), изучающий покоящиеся жидкости. Она изучает законы равновесия жидкости и распределения в ней давления. Основные величины, и
02 10 2014
1 стр.
Цель работы: изучение явления внутреннего трения в жидкости и измерение коэффициента вязкости жидкости по скорости падения в ней шарика
11 10 2014
1 стр.
В этом плане трансплевральный транспорт жидкости является частью более общей закономерности обмена жидкости между внутри- и внесосудистыми пространствами и описывается известным ур
27 09 2014
1 стр.
Преобразователи могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значений уровня жидкости, расхода жидкости или газа
09 10 2014
1 стр.
Исследовано влияние параметров акустического поля и свойств жидкости на сонолюминесценцию одиночного пузырька газа. Проведена оценка длительности световых вспышек и объяснен процес
11 10 2014
1 стр.
На лабораторной установке провести исследование истечения жидкости через насадки разного вида и сравнить полученные данные с теоретическими вычислениями при постоянном напоре
09 09 2014
1 стр.
Структура пиона в модели инстантонной жидкости. Аникин И. В., Дорохов А. Е., Томио Л. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2000, том 31, вы
14 12 2014
1 стр.