5.4. Показатели свойств глинистого раствора

Плотность раствора является одним из важнейших показателей свойств. Изменением плотности раствора производится регулирование статического давления р_с бурового раствора в скважине, так как

р_с = ρgz, (5.1)

где ρ – плотность бурового раствора; g – ускорение силы тяжести; z – глубина скважины по вертикали. Плотность измеряется с помощью ареометра (рис. 5.2),

п ринцип измерения которым основан на сравнении плотности бурового раствора с плотностью воды, т.е. фактически измеряется относительная плотность ρ_о раствора, равная отношению

ρ_о = ρ/ ρ_в,

где ρ – плотность измеряемого раствора; ρ_в – плотность воды. Тогда

ρ = ρ_о  ρ_в.

Ареометр состоит из стакана 1 для измеряемого раствора, поплавка 2 со штоком 3. Внизу стакана имеется съемный груз 4. В комплект прибора входит ведерко 5 для воды.

При измерении плотности растворов от 900 до 1700 кг/м³ груз 4 устанавливается на приборе, а при измерении плотности от 1600 до 2400 кг/м³ груз 4 снимается. На штоке 3 имеются две соответствующие шкалы.

Рис. 5.2. Измерение плотности бурового раствора ареометром

Ареометр после наполнения стакана раствором погружают в ведерко с водой и по делению шкалы, которое совпадает с верхним краем мениска, делают отсчет показателя плотности раствора (см. рис. 5.2).

Статическое напряжение сдвига (СНС) характерено для структурных жидкостей, способных в покое образовывать коагуляционную тиксотропную структуру и приобретать некоторые свойства твердого тела. Показатели СНС характеризуют прочность структуры на сдвиг и представляют собой отношение силы, под действием которой происходит разрушение структуры раствора через одну (₁) и через 10 минут (₁₀) покоя, к площади сдвига.

Определение СНС выполняется на ротационных вискозиметрах. Принципиальная схема измерений напряжения сдвига вискозиметром ВСН-3 приведена на рис. 5.3. Основными элементами прибора являются стакан 1, в который заливается проба раствора объемом

100 мл, столик 2, наружный цилиндр (ротор) 3, внутренний измерительный цилиндр 4, лимб 5, динамометр (пружина) 6 и стрелка-указатель 7. Привод вискозиметра позволяет задать ротору пять частот вращения: 0,2; 200; 300; 400 и 600об/мин.

При измерении СНС пробы раствора вначале

в

Рис. 5.3. Схема измерительного узла вискозиметра ВСН-3

ключают вращение ротора с частотой 600 об/мин на одну минуту с целью разрушения структуры, затем прибор выключают и раствор оставляют в покое на одну минуту. По истечении минуты включают вращение ротора с частотой 0,2 об/мин и ведут наблюдение за движением лимба с целью отметить и записать величину максимального угла ₁ поворота лимба. Аналогично проводят испытание после 10 минут покоя и определяют угол ₁₀ поворота лимба.

По результатам измерений рассчитывают показатели ₁ и ₁₀ по формуле

 = К₁, Па,

где К₁ – константа прибора (выписывается из паспорта прибора).

Вязкость раствора характеризует его сопротивление движению. Бесструктурные жидкости, например, вода, подчиняются закону внутреннего трения Ньютона:

τ = μ , (5.2)

где τ – сопротивление сдвигу жидкости; μ – коэффициент вязкости; -градиент скорости сдвига. Структурные жидкости, к которым относится и глинистый раствор, начинают течь только при некоторой величине напряжения сдвига. Для описания движения глинистого раствора наиболее часто используется закон Бингама-Шведова:

τ = τ₀ + η , (5.3)

где τ₀ – динамическое напряжение сдвига; η – коэффициент структурной (пластической) вязкости. Эти параметры используются при гидравлических расчетах системы промывки скважины.

Измерение параметров  и τ₀ выполняется с помощью вискозиметров. Например, на приборе ВСН-3 обычно проводят измерения на двух уровнях частот вращения, например при 600 и 300 об/мин, и фиксируют устойчивые величины угла поворота лимба (величина  не должна меняться в течение 3…

5 мин вращения ротора). По результатам измерений рассчитывают значение пластической вязкости по формуле

 = ,

и значение динамического напряжения сдвига τ₀ по формуле

τ₀ = ,

где К₂ и В - константы прибора (выписываются из паспорта прибора).

Для контроля вязкости при приготовлении раствора и его применении на буровой широко используется показатель условной вязкости, который представляет собой время истечения в секундах 500 мл раствора через трубку диаметром 5 мм из стандартной воронки СПВ-5 (прибора).

Общий вид прибора и схема измерения условной вязкости приведены на рис. 5.4. Прибор состоит из воронки 1 с трубкой 2 и сеткой 4. В комплект прибора входят мерная кружка 3 с двумя отделениями 500 и

200 мл и секундомер. При измерении вязкости в воронку заливают сначала 200 мл, а затем 500 мл и без задержки мерную кружку ставят под воронку отделением 500 мл вверх, открывают трубку и пускают секундомер. Когда кружка наполнится раствором до верхнего края, секундомер останавливают и записывают показатель условной вязкости. Испытание повторяют три раза и в качестве показателя принимают среднюю арифметическую величину измеренных значений.

Рис. 4. Схема измерения условной вязкости бурового раствора

Показатели фильтрации (водоотдачи для водных растворов), толщины фильтрационной корки и концентрации ионов водорода определяются при одном испытании пробы бурового раствора.

Водоотдача глинистого раствора характеризует его способность отфильтровывать свою дисперсионную среду (воду) в пористую проницаемую горную породу, окружающую скважину. Вода, проникающая из скважины в горную породу, отрицательно влияет на устойчивость стенок скважины, снижает последующую продуктивность скважины, а также экологическую безопасность бурения. Однако отсюда не следует, что в любом случае водоотдача должна быть минимальной, т.к. при снижении водоотдачи увеличивается угнетающее давление на забое, которое повышает сопротивление горных пород разрушению породоразрушающими инструментами и затрудняет очистку забоя скважины от шлама. Поэтому водоотдача поддерживается в некоторых оптимальных пределах. Схема фильтрации показана на рис.5.5.

Рис. 5.5. Схема взаимодействия

буровой раствор-пласт

В процессе фильтрации твердая фаза раствора 1 откладывается на поверхности стенки скважины в виде корки 2. Если корка плотная, то она повышает сопротивление движению дисперсионной среды в пласт 3, и фильтрация затухает во времени. Если корка рыхлая, то она мало влияет на фильтрацию. Такая корка непрерывно увеличивается по толщине и способствует затяжкам и прихватам инструмента.

Состав фильтрата и его водородный показатель (рН раствора) играют важную роль для обеспечения стабильности раствора как дисперсной системы. Следует помнить, что буровой раствор существует как устойчивая система лишь в определенном диапазоне рН. Например, для пресного глинистого раствора этот диапазон рН от 8 до 10. Изменение рН раствора в процессе бурения указывает на вероятность изменения свойств раствора и сигнализирует о необходимости принятия мер для их стабилизации. Наконец, низкое значение рН (рН < 7) свидетельствует о коррозионной активности раствора.

В качестве показателя фильтрации (водоотдачи) определяется количество прошедшей через стандартный фильтр дисперсионной среды (фильтрата) при перепаде давления 0,1 МПа за 30 мин. Стандартный фильтр имитирует проницаемую стенку скважины. Толщина δ отложившейся на фильтре корки принимается в качестве характеристики фильтрационной корки раствора. В качестве водородного показателя раствора измеряется рН фильтрата.

Показатель содержание "песка" характеризует загрязненность и абразивность бурового раствора. "Песок" – это недеспергированные частицы глины, шлама, в том числе песчинки кварца. Содержание, форма и размеры частиц кварца определяют абразивность раствора.

Показатель содержание "песка" представляет собой отношение объема твердых частиц, осевших из разбавленного водой раствора за одну минуту покоя, к начальному объему бурового раствора.