5.1.2 Эмульсионные жидкости-виброгасители
Вибрация бурового снаряда при алмазном бурении вынуждает ограничивать скорости вращения бурильных труб или применять специальные антивибрационные средства. Одним из наиболее прогрессивных методов борьбы с вибрацией бурового снаряда является применение эмульсионных жидкостей-виброгасителей.
Промывочные жидкости-виброгасители представляют собой эмульсии типа «масло в воде».
Наряду со снижением вибраций бурового снаряда применение эмульсионных промывочных жидкостей обеспечивает увеличение механической скорости бурения в среднем на 20 %, рост проходки на коронку – на 30 %, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных труб на 30-35 %, а также снижение потерь напора при циркуляции. В отдельных условиях эти цифры оказываются значительно выше.
Наибольшее распространение в качестве виброгасителя получила эмульсионная жидкость на основе кожевенной пасты. Паста является товарным продуктом, выпускаемым отечественными нефтеперерабатывающими заводами, и представляет собой веретенное масло, загущенное натровыми мылами синтетических жирных кислот (продуктами окисленного петролатума).
Состав пасты (в % по массе):
натровые мыла окисленного петролатума......................................................................................35-40
неомыленный остаток окисленного петролатума (не более)........................................................15
вода (не более)...........................................................................................................................................20
масло веретенное «3» или «3В» - остальное до 100 % (не менее)................................................25
Для приготовления эмульсионного раствора паста вводится в промывочную жидкость в количестве от 0,5 до 2,0 %. Предварительно расчетное количество пасты разбавляется небольшим объемом воды, после чего выливается в отстойник и перемешивается.
Наряду со снижением вибраций бурового снаряда применение такой эмульсионной промывочной жидкости обеспечивает рост механической скорости бурения, стойкости алмазных коронок, уменьшение износа бурового оборудования и инструмента, снижение потерь напора при циркуляции, снижение расхода мощности на бурение и привод насоса.
Получаемая при растворении пасты в воде эмульсия имеет светло-кремовый цвет и представляет собой многокомпонентный раствор натровых мыл окисленного петролатума и его неомыленного остатка, в котором в виде тонкодисперсной фазы распределено минеральное масло.
При приготовлении эмульсии следует учитывать жесткость воды, из которой будет готовиться промывочная жидкость. Влияние жесткости на эмульсионные промывочные жидкости, содержащие натровые мыла, сводится к тому, что ионы кальция и магния, содержащиеся в жесткой воде, вступают в химическую реакцию с растворимыми мылами с образованием нерастворимых кальциевых и магниевых солей. В результате количество эмульгатора в эмульсии уменьшается, что отрицательно сказывается на ее эксплуатационных свойствах. В очень жестких водах возможно полное связывание мыл ионами кальция и магния, сопровождающееся разрушением эмульсии. Кальций и магний могут попадать в промывочную жидкость и в процессе бурения, но жесткость воды, на которой готовится эмульсия, является определяющей.
Наиболее устойчива эмульсия, приготовленная на мягкой воде (жесткость до 5,3 мг/экв). При жесткости воды свыше 13-14 мг/экв требуется обязательное ее смягчение введением электролитов (кальцинированной соды, каустической соды, тринатрий фосфата) или добавкой жидкого стекла в количестве 0,1-1,0 % по массе от объема приготовленной эмульсии.
Возможное изменение качества эмульсии в процессе бурения требует периодического контроля ее свойств. В производственных условиях достаточен ориентировочный контроль эмульсий на стабильность, содержание масла, мыла и общую концентрацию в ней пасты. Применение эмульсий, обедненных маслом и натровым мылом, ухудшает антивибрационный и смазочный эффект.
Стабильность эмульсии определяют( в мерном стеклянном цилиндре объемом 100 мл) путем ее выдержки при комнатной температуре в течение 2 ч. Отсутствие расслаивания эмульсии на масляную фазу и воду свидетельствует об ее устойчивости.. Часто при испытании в верхней части цилиндра выделяется слой концентрированной эмульсии светлого цвета при сохранении однородности в остальной части. При взбалтывании концентрированный слой исчезает. Эта эмульсия также является стабильной.
Косвенно об устойчивости используемой эмульсии можно судить по ее состоянию в отстойнике при прекращении циркуляции. Отслоение масляной фазы на поверхности жидкости свидетельствует о недостаточной устойчивости эмульсии или о ее полном разрушении.
Контроль концентрации эмульсии осуществляется методом «счета капель» при условии отсутствия других веществ, снижающих поверхностное натяжение жидкости. Зависимость между концентрацией эмульсии из кожевенной пасты и количеством капель в одном см3 при ее истечении приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1 Зависимость числа капель в единице объема от концентрации эмульсии из кожевенной пасты.
Определение содержания масла в эмульсии производят ее разложением концентрированной серной кислотой. Для анализа отбирают 100 см3 анализируемой эмульсии и заливают в колбу. В колбу с эмульсией осторожно вливают 50 мл серной кислоты удельного веса 1,84 гс/см3. Затем содержимое колбы взбалтывают и через 2-3 мин доливают воду до верхнего деления. Количество выделившегося масла показывает процентное его содержание в испытываемой эмульсии.
В районах с высокой минерализацией вод, а также при отсутствии товарного эмульсола, последний может быть приготовлен из ОП-10 (или ОП-7) и нигрола. Концентрация ПАВ в промывочной жидкости должна быть в пределах 0,4-0,5 %, содержание нигрола может колебаться от 1 до 4 %. При значительной вибрации колонны бурильных труб содержание нигрола в жидкости должно соответствовать максимуму.
Эмульсол из ПАВ и нигрола готовят следующим образом:
1. К расчетному количеству эмульгатора добавляют такое же количество нигрола и перемешивают в течение 20-30 мин. Затем к этой смеси постепенно (также при интенсивном перемешивании) добавляют воду в количестве, не превышающем 1/5 веса полученной массы. Когда смесь приобретает равномерную окраску, в нее порциями добавляют оставшуюся часть нигрола, и смесь снова перемешивают. Приготовление эмульсии производится предварительным разбавлением эмульсола водой до жидкого состояния и заливкой полученной смеси в отстойник.
2. Сначала готовят 20 %-ный водный раствор эмульгатора, затем в него при интенсивном перемешивании вводят нигрол. Эмульсионную промывочную жидкость получают путем разбавления эмульсола водой до требуемой концентрации.
Для гашения вибраций нашла применение эмульсионная промывочная жидкость на основе смеси гудронов, являющихся отходами масложировой промышленности. Оптимальная концентрация смеси гудронов в промывочной жидкости находится в пределах 1,5-2,5 % и зависит от состава смеси. Повышение концентрации смеси гудронов свыше 2,5 % приводит к «засаливанию» торца алмазной коронки и уменьшению скорости бурения.
Эмульсол на базе смеси гудронов получают предварительным омылением последних каустической содой. Процесс осуществляют в следующей последовательности. В кипятильнике нагревают до кипения необходимое количество воды и одновременно готовят раствор щелочи, в глиномешалку закачивают расчетное количество смеси гудронов, заливают горячую воду и смесь перемешивают в течение 5 мин. Затем добавляют требуемое количество каустической соды и состав вновь перемешивают в течении 15-20 мин.
Количество щелочи обусловливается кислотным числом А данной партии смеси гудронов (кислотное число – это количество мг КОН, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г данного вещества) и может быть определено по формуле:
G = 0,713 А, мг/г (г/кг).
В зависимости от времени года готовят зимнюю (30 %) или летнюю (50 %) омыленную эмульсию. Для приготовления 1 м3 летней эмульсии требуется 430 кг смеси гудронов и 500 л воды, для получения 1 м3 зимней эмульсии эти количества составят соответственно 252 и 700 л.
Приготовление эмульсионной промывочной жидкости осуществляют введением в отстойник с водой полученную концентрированную эмульсию с таким расчетом, чтобы количество смеси гудронов не превышало принятого значения. Если жесткость воды, на которой готовится эмульсионная жидкость, выше 5 – 6 мг/экв, необходимо ее понизить.
Возможно применение смеси гудронов для эмульгирования глинистых растворов. Такие эмульсии устойчивы к аэрации.
Эмульсионные жидкости на основе смеси гудронов обладают высокой стабильностью, меньшей чувствительностью к пластовым водам, чем эмульсии на основе кожевенной пасты, и большей поверхностной активностью.
Однако технология приготовления концентрированной эмульсии для условий разведочного бурения довольно сложная.
Эмульсионные промывочные жидкости на основе мылонафта получили большое распространение в Красноярском и Иркутском геологических управлениях.
В отдельных случаях при отсутствии готовых эмульсолов эмульсионную промывочную жидкость можно приготовить из хозяйственного мыла (концентрация мыла 1 – 2 %), однако такая жидкость дорога и в процессе работы вспенивается.