Повышение термостойкости буровых промывочных растворов

Рисунок 4.3  -  Вискозиметр ВБР-1 

     Условная вязкость определяется временем истечения 500 см³ раствора через трубку из воронки вискозиметра, заполненной 700 см³ раствора. За исходный результат принимают среднее значение результатов трех измерений, отличающиеся между собой не более чем на 2 с. 

     3) Реологические свойства бурового раствора

     Реологические свойства буровых растворов оказывают превалирующее влияние:

• на степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения породоразрушающего инструмента· транспортирующую способность потока;
• величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины;
• величину гидродинамического давления на ее стенки и забой в процессе бурения;
• амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении СПО и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны
• интенсивность обогащения бурового раствора шламом
• скорость эрозии стенок скважин и др.

     Среди известных реологических моделей буровых растворов наибольшим распространением в отечественной и зарубежной практике пользуются модели Бингама - Шведова и Оствальда -де Ваале. 

Рисунок 4.4  - Ротационный вискозиметр 

     С помощью величин реологических характеристик можно определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем, что очень важно для оценки качества промывочных жидкостей и выбора методов регулирования их свойств. 

     4) Показатель фильтрации

     Процессом фильтрации называют процесс разделения фаз дисперсной системы, происходящий при движении системы через пористую среду, размер пор которой того же порядка, что и размер частиц дисперсной фазы или меньше их.

     Объем фильтрата принято измерять через 30 мин после начала процесса. Логарифмическая зависимость позволяет ускорить измерение: объем фильтрата, выделившийся через 7,5 мин, практически равен половине объема, получаемого после 30 мин фильтрации.

     Различают статическую и динамическую фильтрацию. В первом случае единственным видом движения дисперсной системы над фильтрующей поверхностью является ее постепенное поступление в пористую среду. При динамической фильтрации дисперсная система принудительно, например с помощью мешалки, перемещается относительно фильтрующей поверхности и при достаточно высокой скорости размывает фильтрационную корку. Уменьшение толщины последней вызывает рост скорости фильтрации.

     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 наиболее распространенным в практике разведочного бурения приборам относятся ВМ-6 (рис. 4.5.), 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. 

Рисунок 4.5 - Прибор ВМ-6 

     4.3 Влияние температуры на устойчивость глинистых растворов

     Забойные температуры многих глубоких скважин уже далеко перешагнули стоградусный рубеж, а порой достигает и 200ºС. Столь интенсивный нагрев резко снижает качество глинистых растворов, вплоть до потери ими рабочих свойств. В результате затрудняется дальнейшее углубление скважин, имеются серьезные осложнения и аварии. Повышение термостойкости промывочных растворов является поэтому одной из актуальных задач современной техники бурения.  

     4.3.1 Влияние температуры на коагуляцию

     Коагуляция (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение) - объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, механического воздействия на систему (перемешивания, вибрации) и др.

     Состояние коагуляции является основным в системе глина—вода. Высокодисперсные глинистые суспензии со свободной некомпенсированной поверхностной энергией термодинамически неравновесны. В первую очередь это обусловливает потерю агрегативной устойчивости, а во многих случаях и кинетической. Все процессы, протекающие в буровых растворах, так или иначе связаны с коагуляцией. Да и сама глина как горная порода является продуктом длительно идущих коагуляционных процессов.

     В практике бурения три фактора определяют развитие коагуляции буровых растворов: повышение концентрации твердой фазы, особенно глинистой; агрессия электролитов; нагревание. Действуя порознь или вместе, эти факторы обусловливают различные формы и уровни коагуляционных процессов.

     Нагревание чрезвычайно интенсифицирует все процессы, в обычных условиях заторможенные. При этом усиливается пептизация глинистых агрегатов, падает вязкость дисперсионной среды и защитных коллоидов. В связи с увеличением числа кинетически активных частиц и ослаблением защитного действия реагентов возрастают коагуляционные влияния, в частности, агрессия присутствующих электролитов. В зависимости от содержания твердой фазы и ее свойств, наличия стабилизирующих реагентов и агрессивных солей коагуляция при действии высоких температур может обусловить как коагуляционное разжижение, так и загустевание, но и в том и в другом случае возрастает водоотдача.

     После охлаждения, если деструкции защитных реагентов не произошло, фильтрационные свойства могут вновь улучшиться, но во всех случаях водоотдача будет больше, чем до термообработки. В результате усиления коагуляционного структурообразования охлажденные суспензии интенсивно загустевают, если только они не были обработаны соответствующими реагентами, например хроматами.

     Для повышенных температур, еще больше чем для обычных условий, имеют значение факторы концентрационного загустевания и электролитной агрессии. Глиноемкость и коагуляционная устойчивость термообработанных суспензий понижены. Уже небольшое содержание агрессивных солей, практически не замечаемое при умеренных температурах, при нагревании интенсивно форсирует коагуляцию. 

     4.3.2 Стабилизация растворов при термообработке

     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, являющихся 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 повышенных температурах происходит разрушение этих слоев как из-за термической неустойчивости реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью. В этом случае необходимы термостойкие стабилизаторы, прочно связанные с атомами на поверхности глины непосредственно или через мостики закрепившихся на ней переходных металлов, например хрома, т. е. обусловливающие хемосорбционное модифицирование поверхности, перерождающее ее коагуляционно-активные участки.

     При повышенных температурах происходит глобулизация макромолекул, сопровождаемая ростом водоотдачи. Охлаждение вновь ведет к развертыванию глобул и снижению фильтрации. Снижение защитного действия реагентов при нагревании объясняется их термической и термоокислительной деструкцией, как, например, в случае крахмала или карбоксиметилцеллюлозы. Этот эффект и другие необратимые процессы, происходящие при термообработке, обусловливают гистерезисные явления, отмечаемые при циклических нагреваниях и охлаждениях.

     В соответствии с этим для термостабильных растворов особое значение имеют реагенты, устойчивые при нагревании или приобретающие в результате его свойства, благоприятствующие стабилизации. Это присуще, например, акриловым полимерам (гипану, метасу и др.), термостойким из-за отсутствия легко окисляющихся и тому подобных связей и скрепляемых прочными связями – углерод.

     Другим примером является усиление с помощью хромпика окисления при термообработке гуматов и других реагентов, модифицирующего их и создающего новые функциональные группы, прочно связывающиеся с поверхностью кристаллической решетки глин. Модифицирование поверхности устойчивыми стабилизирующими слоями предотвращает коагуляционное структурообразование. Подобный эффект может быть достигнут и при введении в суспензию заранее окисленных хромлигносульфонатных комплексов. В этом случае стабилизация обеспечивается комплексообразованием высокомолекулярной фракции лигносульфонатов. Защитное комплексообразование является эффективным стабилизирующим методом. 

     4.4 Химические реагенты, повышающие термостойкость

     Химические реагенты являются главными средствами химической обработки буровых растворов, которые обеспечивают направленное изменение их технологических свойств. 

     4.4.1 Силикат натрия (жидкое стекло)

     Силикаты жидкого стекла являются неорганическими полимерами с конденсированными макроанионами и щелочными металлами в качестве катионов. Мономерами их  является метасиликат.

     В буровых растворах жидкое стекло применяется обычно совместно с другими реагентами и добавками и несет в зависимости от условий функции стабилизатора, структурообразователя, ингибитора, крепящего компонента и замедлителя термоокислительной деструкции.

     Небольшие добавки жидкого стекла (около 0,1—1%) интенсивно снижают вязкость пресных буровых растворов при обычных и высоких температурах. Как и у реагентов, избыток жидкого стекла играет уже коагулирующую роль, но вследствие его более мягкого действия это сказывается в первую очередь не на водоотдаче, а на реологических свойствах, вызывая коагуляционное структурообразование. 

     4.4.2 Хроматы и изополихроматы

     Хроматы и изополихроматы являются неорганическими полимерами.

     Наиболее  важные  химические свойства хроматов — сильная окислительная способность с восстановлением Cr^VI до Сг^ш и склонность к, интенсивному комплексообразованию. Однако в присутствии сильных восстановителей хроматы могут окислять в нейтральной и даже слабощелочной среде. При нагревании восстановление хроматов чрезвычайно усиливается и проявляется даже при высоких значениях рН. Заметно ускоряется этот процесс при 80° С, а при 130—150° С достигает максимума. В термообработанной глинистой суспензии, содержащей восстановитель, уже нет даже следов Cr^VI (рисунок 4.6)

     Ион Сг¹¹¹, особо активный в момент восстановления, образует с реагентом комплексные соединения, выпадающие в осадок или растворимые, прочно связывающиеся с глиной. Возможны и прямые связи Сг^ш с глиной. Сначала Сг^ш входит в обменный комплекс, вытесняя другие катионы, а затем при нагревании необменно закрепляется на кристаллической решетке. Это ингибирует глину и создает предпосылки для связывания с закрепившимся хромом макромолекул  реагента.

1) 2%-ный  раствор K₂CrO₄; 2) 4%-ный раствор K₂CrO₄

Рисунок 4.6 – Влияние нагревания на переход  Cr^VI и Cr^III в системе УЩР – хромат – вода 

     Подобный  механизм  в  том или ином варианте, в зависимости от примененного реагента, обусловил значительную эффективность обработок хроматами, получивших большое распространение для предотвращения высокотемпературного загустевания буровых растворов. 

      4.4.3 Гуматные реагенты

      В эту группу реагентов входят щелочные вытяжки из бурого угля и торфа и продукты их модификации.

     Значительное распространение УЩР обусловлено многофункциональностью его действия. Так УЩР является интенсивным пептизатором твердой фазы, особенно глинистой, эффективным понизителем водоотдачи и вязкости, эмульгатором и реагентом-регулятором рН.

     В отсутствии агрессии водоотдача растворов, обработанных УЩР, остается сравнительно небольшой даже при 200°С, но при этом резко усиливается загустевание. Злоупотребление добавками УЩР к растворам, содержащим небольшие количества глинистой фазы, приводит к стабилизационному разжижению вплоть до выпадения осадка при низких значениях водоотдачи.