Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный университет

Ульяновский государственный университет Кафедра нефтегазового дела и сервиса

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

к лабораторным работам по учебной дисциплине

"Химия буровых промывочных и тампонажных жидкостей"

Ульяновск

2014

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЩИТНЫХ КОЛЛОИДОВ НА СВОЙСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Цель работы

Целью данной работы является изучение влияния добавок химических реагентов стабилизаторов на параметры глинистого раствора.

По физическому смыслу стабилизация сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодействующие силы притяжения между частицами твердой фазы.

Защитные коллоиды распадаются на мельчайшие частицы или многоатомные молекулы, которые адсорбируются на пластинках глины и образуют вокруг них защитные слои, предохраняющие частицы глины от слипания, т. е. защитные коллоиды стабилизируют глинистый раствор. Их называют реагенты-стабилизаторы: KMЦ, КССБ, ССБ, УЩР, крахмальные реагенты, гипан и др.

Образуемые на элементарных частицах глины защитные слои, а также коллоидные частицы реагентов снижают проницаемость (пористость) фильтрационных корок, повышают их плотность, в связи с чем уменьшается водоотдача промывочных жидкостей (реагенты понизители водоотдачи).

Защитные коллоиды, адсорбируясь на гранях и ребрах глинистых частиц, уменьшают их сцепление друг с другом, снижая вязкость и статическое напряжение сдвига промывочных жидкостей (понизители вязкости).

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — является натриевой солью целлюлозогликолевой кислоты. Она представляет собой волокнистое вещество белого или желтоватого цвета, хорошо растворимое в воде. Наиболее эффективна при небольших и средних соленостях. Добавка КМЦ в пресные растворы загущает их, а соленые — разжижает. КМЦ эффективна в нейтральных и слабощелочных средах (рН = 7,0-9,0).

Свойства КМЦ определяются степенью полимеризации (СП). Степень полимеризации — это число структурных единиц, содержащихся в одной макромолекуле. В СССР применяют КМЦ трех марок в виде водного раствора 5—10%-ной концентрации или в сухом виде.

КМЦ-250 (СП = 200-300) применяется для стабилизации пресных и слабоминерализованных утяжеленных буровых растворов (до 5—7% NaCl), не содержащих кальция и магния. Ввод 3% ее в такой раствор при первичной обработке и 1 — 1,5% при последующих почти не изменяет вязкостные и тиксотропные свойства раствора, но хорошо снижает водоотдачу. Эффективность препарата резко снижается с ростом температуры более 100°С, т. к. происходит термоокислительная деструкция реагента.

КМЦ-350 (СП = 300-450) применяется для стабилизации среднеминерализованных (до 10% NaCl) промывочных жидкостей. Допускается содержание солей хлористого кальция до 0,2%. Добавки ее составляют 1,5—2,5% при первичной и 0,8—1,2% при последующих обработках. При содержании NaCl 10% снижаются вязкость и СНС, а водоотдача снижается слабо. КМЦ-350 является эффективным понизителем вязкости и предельного СНС высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов, стабилизированных крахмальным реагентом. При этом добавки ее составляют до 1% при первичной и 0,2—0,3% при последующих обработках. Водоотдача изменяется незначительно. Эффективность реагента снижается при температуре более 130°С.

КМЦ-500 (СП = 500) применяется для стабилизации высокоминерализованных промывочных жидкостей, в том числе содержащих значительное количество хлористого кальция. В зависимости от степени минерализации раствора КМЦ-500 добавляют в пределах 1,3—2,5%. Термостойкость составляет 140—150°С.

КМЦ-600 (СП = 600) применяется для стабилизации высокоминерализованных промывочных жидкостей. Термостойкость и солестойкость, а также устойчивость к действию солей кальция у КМЦ-600 значительно выше, чем у остальных марок КМЦ. Термостойкость КМЦ-600 составляет около 160°С.

Сульфит-спиртовая барда (ССБ) представляет собой густую темно-бурую жидкость с кисловатым запахом. В зависимости от типа бурового раствора и количества вводимого реагента ССБ применяется в качестве понизителя вязкости и водоотдачи или как регулятор щелочности буровых растворов из кальциевых глин. При добавках 1—3% ССБ эффективно снижается вязкость и СНС сильноминерализованных утяжеленных буровых растворов, стабилизированных крахмальным реагентом. Такие же добавки при первичной обработке стабилизируют известковые глинистые растворы (при последующих они в 2—3 раза меньше).

Растворы из натриевой глины при добавке ССБ коагулируют, сильно густеют, а из кальциевой глины — хорошо разжижаются.

Основным недостатком ССБ является ее способность к пенообразованию, что требует применения пеногасителей. Хорошие результаты получаются при совместном применении ССБ и УЩР.

Конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ) - является продуктом конденсации сульфит-спиртовой барды (ССБ) с формальдегидом и фенолом в кислой среде с последующей нейтрализацией каустиком до рН = 6-7. Выпускается в виде порошка или в виде 20—25%-ного водного раствора. КССБ применяется для уменьшения водоотдачи и вязкости пресных и слабоминерализованных промывочных жидкостей. Оптимальные добавки для пресных растворов составляют 1 — 5% на сухой продукт или 5—25% в жидком виде. Для слабоминерализованных растворов требуемое количество реагента несколько возрастает, что приводит к образованию пены и необходимости применения пеногасителя.

КССБ совместима с большинством солестойких реагентов, что значительно увеличивает диапазон действия обоих реагентов и снижает их расходы. Высокая стабилизация пресных буровых растворов при температурах до 185°С достигается вводом КССБ-3 (КССБ с хроматами). Для обработки промывочных жидкостей используется КССБ в виде 8-10%-ного водного раствора.

Нитролигнин представляет собой желто-бурый зернистый порошок. Реагент растворяется в разбавленной щелочи. Наиболее часто применяется нитролигнин 5%-ной концентрации в соотношении со щелочью 10:3 при рН = 9-10 для обработки пресных, известковых, слабоминерализованных утяжеленных растворов. Добавки 0,2—0,3% нитролигнина эффективно снижают вязкость и СНС. При увеличении добавки до 0,5— 0,6% разжижаются сильноминерализованные растворы. Добавки нитролигнина 1,5—2,0% в пресные буровые растворы резко снижают водоотдачу, вязкость, СНС. Термостойкость реагента повышается при введении хроматов.

Сульфированный нитролигнин (сунил) представляет собой жидкость черного цвета 14-18%-ной концентрации, хорошо растворяющуюся в воде. Оптимальные добавки составляют 0,2—0,3% (на сухое вещество). Сунил разжижает как пресные, так и минерализованные буровые растворы. При добавках выше 2% он эффективно снижает водоотдачу пресных и слабоминерализованных растворов. Применяется сунил в виде 10%-ного водного раствора. Эффективно снижает вязкость и СНС растворов при температуре до 160°С. Наиболее важными преимуществами сунила являются его способность повышать устойчивость стенок скважин и его химическая нейтральность (рН = 7). Это имеет большое значение при бурении в обваливающихся глинах и при использовании бурильных труб из легких сплавов.

Углещелочной реагент (УЩР) - порошок темно-бурого цвета, растворим в воде. Основой УЩР являются натриевые соли гуминовых кислот. УЩР является интенсивным пептизатором твердой фазы, понизителем водоотдачи и вязкости, эмульгатором и реагентом - регулятором pH. Он снижает водоотдачу пресных и слабоминерализованных растворов с содержанием солей до 3%.

УЩР эффективен в комбинации с другими реагентами: КМЦ, ССБ, кальцинированной содой, фосфатами и др. С ростом температуры выше 140°С эффективность УЩР значительно снижается. Этот недостаток устраняется добавлением хроматов или бихроматов натрия и калия (0,05—0,25%) к глинистому раствору, обработанному УЩР.

Применяют УЩР в виде 20%-ного водного раствора. Оптимальные добавки его от 0,5 до 4% и более на сухое вещество.

Крахмал - представляет собой порошок белого или желтоватого цвета, растворам в слабых растворах щелочей. Применяется в виде водно-щелочного раствора 5—8%-ной концентрации для снижения водоотдачи минерализованных буровых растворов, в том числе содержащих соли кальция и магния. Обладает низкой термостойкостью — до 120—130°С.

Добавка крахмала в сильноминерализованный буровой раствор вызывает рост его вязкости и СНС. Поэтому необходимо одновременно применять ССБ, КССБ, КМЦ-350. Оптимальные добавки крахмала при первичной обработке высоко- минерализованных буровых растворов 1,5—3,0% (на сухое вещество). При последующих обработках расход крахмала в 3—4 раза меньше.

Модифицированный крахмал (МК) - порошок белого или желтоватого цвета, хорошо растворим в воде (в отличие от технического крахмала). Имеет более высокую термостойкость (до 140—150°С). Оптимальные добавки его составляют от 0,3—0,75 до 3,0% при первичной обработке высокоминерализованного раствора. Эффективно использование МК совместно с другими реагентами: КМЦ-500, гипаном, КССБ, ССБ.

Гипан - гидролизованный полиакрилонитрил - представляет собой вязкую, темно-желтоватого цвета жидкость 8— 10%-ной концентрации.

Гипан наиболее целесообразно применять для снижения водоотдачи пресных, глинистых растворов при пониженной концентрации твердой фазы в условиях высоких температур (180—200°С).

Гипан вызывает резкое загущение пресных растворов при температурах до 80°С. При обработке гипаном высокоминерализованных (NaCl>20%) буровых растворов загущения не наблюдается. Гипан сильно чувствителен к солям кальция и другим водорастворимым солям поливалентных металлов.

В слабоминерализованных растворах оптимальные добавки гипана составляют 0,5—0,7% при температуре 100—120°С и 0,75—2,0% (на сухое вещество) при более высокой температуре.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя эксикатор, ареометр, вискозиметр, прибор для измерения водоотдачи, прибор для измерения статического напряжения сдвига, мерный цилиндр, настольные весы.

Порядок выполнения работы

Перемешайте исходный не обработанный химическими реагентами глинистый раствор и замерьте его основные параметры: плотность (ρ), вязкость (Т), водоотдачу (В), СНС за 1 мин покоя (ϴ₁), СНС за 10 мин покоя (ϴ₁₀).

Затем налейте в эксикатор 1200 см³ глинистого раствора и обработайте его заданным химическим реагентом - стабилизатором. Зная процент добавки реагента, подсчитайте количество химического реагента, которое необходимо ввести в раствор.

Подсчитанный объем реагента замерьте посредством специального мерного цилиндра (если химический реагент в жидком виде) или взвесьте на весах (если реагент в сухом виде) и введите в отобранную пробу раствора. Реагент вводите постепенно, постоянно перемешивая раствор. После этого глинистый раствор тщательно перемешайте и замерьте его основные параметры: плотность, вязкость, водоотдачу, СНС за 1 мин покоя и СНС за 10 мин покоя.

После выполнения первичной обработки глинистого раствора и получения данных о его параметрах проведите вторую и третью обработки раствора химическим реагентом.

Все химические обработки проводите на одном растворе, при этом процент обработки доводите до нужной величины с учетом ранее добавленного количества реагента. Необходимо учитывать, что после каждой обработки объем раствора уменьшается на 120 см³ (объем раствора, который после измерения водоотдачи выливают, т. к. он перемешивается с маслом). Замерьте основные параметры глинистого раствора после каждой химической обработки. Результаты опытов занесите в таблицу.

Название, количество реагента, %	Параметры глинистого раствора					СНС ϴ10, Па
	плотность ρ, кг/м3	вязкость Т,с	водоотдача В, см3	СНС ϴ1, Па

По данным опытов постройте график изменения параметров глинистого раствора в зависимости от процента добавки химического реагента. Для этого на оси абсцисс отложите проценты добавки химического реагента, а на оси ординат соответствующие величины параметров глинистого раствора. Рядом с ординальной осью постройте в необходимом масштабе шкалы значений для каждого параметра отдельно.

График позволяет определить характер изменения параметров бурового раствора в зависимости от количества введенного химического реагента, его эффективность и оптимальные добавки реагента для получения необходимых свойств промывочной жидкости.

Содержание отчета

1. Результаты измерений, сведенные в таблицу.

2. График, построенный по данным опытов.

3. Вывод о влиянии используемого химического реагента на параметры глинистого раствора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение реагентов защитных коллоидов.

3. Назовите реагенты-понизители водоотдачи, вязкости.

3. Что понимается под стабилизацией промывочных жидкостей?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕАГЕНТОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА СВОЙСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Цель работы

Целью данной работы является изучение влияния добавок химических реагентов электролитов на параметры глинистого раствора.

К химическим реагентам такого типа относятся неорганические реагенты (электролиты): кальцинированная сода (Na₂CO₃), каустическая сода (NaOH), жидкое стекло (Na₂SiO₃). поваренная соль (NaCl), известь (Са(ОН)₂), комплексные фосфаты, охроматы и бихроматы и др.

При обработке промывочных жидкостей электролитами происходят обменные процессы между ионами частиц глины и ионами химических реагентов. Эффект обработки электролитами зависит от типа и концентрации добавляемых электролитов.

Кальцинированная сода представляет собой порошок белого цвета. Добавки ее составляют 0,5-2,0%. Используется в сухом виде и в виде раствора 5-15%-ной концентрации.

Она применяется при приготовлении растворов из кальциевых глин, для улучшения смачиваемости глинистых частиц и как пептизатор глин. Кальцинированную соду часто используют для связывания ионов кальция и магния, попадающих в раствор с пластовыми водами или разбуриваемыми породами, а также для повторных обработок буровых растворов с добавкам и УЩР, качество которых ухудшилось. Небольшие добавки соды способствуют снижению вязкости и водоотдачи раствора, а большие - росту вязкости, СНС и коагуляции раствора.

Каустическая сода представляет собой бесцветную непрозрачную кристаллическую массу. Она хорошо растворяется в воде с выделением тепла. Применяется для приготовления щелочных реагентов УЩР, ТЩР, крахмального реагента, ПФЛХ, нитролигнина и других и для снижения растворимости извести в известковых растворах. Небольшие добавки щелочи (0,5-0,8%) вызывают временное диспергирование частиц глины, увеличение электрокинетического потенциала и, как следствие этого, снижение вязкости и водоотдачи бурового раствора. Большое содержание каустической соды в глинистом растворе может привести к повышению вязкости и водоотдачи, вызываемых процессом коагуляции. Поэтому не рекомендуется добавлять каустическую соду непосредственно к буровому раствору.

Жидкое стекло (силикат натрия) получают при плавке кварцевого песка с кальцинированной содой. В бурении применяется силикат натрия, водный раствор которого представляет собой вязкую жидкость от светло-желтого до желто-коричневого и серого цветов. Раствор жидкого стекла имеет щелочную реакцию. Добавки его повышают предельное СНС, создают структуру буровых и естественных суспензий.

Жидкое стекло используют для получения силикатных растворов, применяемых в обваливающихся породах и в условиях высокой минерализации. Небольшие добавки жидкого стекла (0,1-1,0%) интенсивно снижают вязкость пресных буровых растворов при обычных и высоких температурах. Добавки 2-5% силиката натрия повышают термостойкость буровых растворов, стабилизированных КМЦ, до 180-190°С.

Поваренная соль добывается из природных залежей каменной соли. Используют ее в основном для насыщения буровых растворов перед вскрытием соленосных отложений для предупреждения образования каверн в скважинах.

Поваренная соль применяется также для усиления структурно-механических свойств буровых растворов, приготовленных из натриевых или натриево-кальциевых глин и стабилизированных УЩР. В глинистый раствор вводят около 0,5-1,0% раствора хлористого натрия 10-15% концентрации. Показатели структурных свойств бурового раствора сначала возрастают, но после длительного перемешивания несколько снижаются. Водоотдача буровых растворов при такой обработке увеличивается незначительно.

Известь в основном используется для приготовления известковых глинистых растворов. При вводе извести (2-3%) глинистый раствор временно загущается, что используют при борьбе с поглощениями. После тщательного перемещения загустевание раствора исчезает. При действии высокой температуры качество глинистых растворов, содержащих известь, ухудшается; при этом происходит интенсивное загустевание раствора.

Комплексные фосфаты - это натриевые гексаметафосфат, пирофосфат, триполифосфат. Белые кристаллические порошки, хорошо растворяемые в воде. Они действуют на буровые растворы как разжижители, но эффективность их низкая. При добавках более 1-1,2% вызывают загустевание растворов. Действие их кратковременно, они разлагаются при высокой температуре, избыток реагентов вызывает коагуляцию буровых растворов.