6.8.1 Фізичні методи регулювання властивостей дисперсних систем

• До фізичних способів регулювання властивостей бурових розчинів відносяться:

► зміна відношення між вмістом активної твердої фази і дисперсійним середовищем (розбавлення, концентрація);

► диспергація твердої фази в буровому розчині;

► збільшення вмісту твердої фази (обважнення);

► насичення бурового розчину повітрям (аерація);

► введення інертних наповнювачів для надання закупорюючих властивостей.

Перші два способи використовують для регулювання структурно-механічних і фільтраційних властивостей, третій і четвертий – для регулювання густини; п’ятий – для регулювання закупорювальних властивостей.

В практиці буріння свердловин часто використовують розбавлення дисперсної системи водою з метою зниження структурно-механічних властивостей бурових розчинів. Таке розбавлення завжди приводить до підвищення показника фільтрації, зміни густини розчину і при різкому розрідженні дисперсної системи може випадати шлам в циркуляційній системі свердловини.

Тому користуватися таким способом слід обережно, попередньо провівши відповідні досліди в лабораторії.

Збільшувати концентрацію дисперсної фази в процесі буріння можна :

• методом приготування більш концентрованого розчину і введенням його в циркуляційну систему;

• безпосереднім введенням дисперсної фази в процесі циркуляції;

• за рахунок природного збільшення концентрації дисперсної фази при поступленні в буровий розчин найбільш дрібних частинок вибуреної породи.

Таку операцію називають збагаченням бурового розчину.

З метою відділення рідкої фази від твердої (зменшення концентрації дисперсної фази) використовують центрифугування рідини та інші методи очищення бурових розчинів.

В широких границях структурно-механічні властивості, стійкість дисперсних систем, особливо глинистих розчинів регулюються підвищення степені дисперсності компонентів. При цьому в бурових розчинах разом з твердою фазою зменшується ще й показник фільтрації. З цією метою буровий розчин додатково обробляють в спеціальних пристроях – диспергаторах.

Так як повної диспергації в процесі приготування розчинів не проходить, то при допоміжній диспергації твердої фази проходять найбільш складні процеси, при яких з розчеплених матеріалів утворюються більш дрібні частинки.

Допоміжною диспергацією твердої фази можна при одному і тому ж її вмісті в 2-3 рази збільшити структурну в’язкість, в 6-9 разів – динамічне напруження зсуву, в 1,5 рази зменшити показник фільтрації, крім цього зменшується вміст сторонніх домішок, покращується стабільність розчину.

Процес диспергації дозволяє зменшити кількість твердої фази в буровому розчині при заданих властивостях. Чим нижче якість глини, тим більше значення має ефект диспергування.

Для збільшення густини бурового розчину в першу чергу стараються збільшити вміст твердої фази (збагачення), але це приводить до збільшення структурно-механічних властивостей розчинів і при певній концентрації вмісту твердої фази ці показники виростають до недопустимого значення.

Тому, збільшення вмісту високоякісної глини можна одержати густину біля 1200 кг/м³, а при використанні низькоякісних глин – до 14350 кг/м³.

• Бурові розчини обважнюють спеціальними високодиспергованими інертними матеріалами великої густини – обважнювачами.

Обважнювачі впливають на структурно-механічні властивості розчинів.

По-перше, для утримання частинок обважнювача рідина повинна мати певні структурно-механічні властивості і в першу чергу статичне напруження зсуву.

По-друге, введення обважнювачів збільшує реологічні властивості розчину і в цей же час обмежує можливості їх регулювання. Навіть невелике розрідження дисперсної системи може викликати випадання обважнювача в осад і привести до ускладнень чи аварії в свердловині.

Обважнювачі дозволяють регулювати густину бурових розчинів в широких границях (до 2200 кг/м³ і більше). Тому основний метод збільшення густини – введення обважнювачів.

• Основними критеріями, які характеризують якість обважнювачів, являються: густина, тонкість помелу, абразивність, інертність по відношенню до розчинів (вміст водорозчинних солей).

Густина обважнювача повинна бути максимальною. Чим більша густина, тим менше його необхідно для обважнення розчину, менше буде добавлено твердої фази в розчин, менше буде зростати в’язкість розчину.

Тонкість помелу. Обважнювач великого помелу застосовувати не рекомендується, так як великі зерна важче утримувати в підвішеному стані і вони можуть випадати в осад. Надзвичайно тонкий помел теж небажаний, так як це викликає підвищення в’язкості.

Абразивність обважнювача - здатність його стирати окремі вузли і деталі бурового обладнання і інструменту (частин бурових насосів, турбобура, долота, бурильних труб).

Обважнювач повинен вміщувати мінімальну кількість водорозчинних домішок, так як останні, розчиняючись у воді, вступають в хімічну взаємодію з розчином, погіршують його властивості (можуть викликати коагуляцію).

Всі обважнюючі добавки за густиною ділять на 3 групи:

► матеріали низької густини (2600—2900 кг/м³) — мергель, крейда, вапняк, доломіт;

► матеріали середньої густини (3700—5000 кг/м³) — сидерити, барити, залізовмісні обважнювачі;

► матеріали підвищеної густини (6000—7000 кг/м³) — концентрати свинцевих руд, залі­зисто-миш'якові руди та ін.

У таблиці 6.3 наведені дані про мінерали, які використовують для підвищення густини буро­вих розчинів.

Таблиця 6.3 − Характеристики мінералів для підвищення густини бурових розчинів

Мінерал	Густина, кг/м3	Твердість за шкалою Мооса
Кальцит (CaCO3)	2600-2800	3
Доломіт (CaCO3·MgCO3)	2800-2900	3,5-4
Целестин (SrSO4)	3700-3900	3-3,5
Сидерит (FeCO3)	3700-3900	3,5-4
Барит (BaSO4)	4200-4700	2,5-3,5
Ільменіт (FeO· TiO2)	4500-5100	5-6
Магнетит (Fe3О4)	4900-5200	5,5-6,5
Гематит (Fe2O3)	4900-5300	5,5-6,5
Галеніт (PbS)	7400-7700	2,5-2,7