§ 4. Свойства промывочных жидкостей на водной основе

Статическое напряжение сдвига. Важнейшей особенностью многокомпонентных промывочных жидкостей является способность к образованию коагуляционной тиксотропной структуры, благодаря которой обеспечивается в покое удержание выбуренных частиц гор­ных пород во взвешенном состоянии. Прочность такой структуры оценивают величиной напряжения, которое необходимо создать, чтобы заставить раствор течь. Это напряжение называют статиче­ским напряжением сдвига. Поскольку прочность структуры во вре­мени растет, асимптотически приближаясь к некоторому пределу, в практике бурения условно принято характеризовать промывочную жидкость двумя значениями статического напряжения сдвига: начальным θ₁, которое измеряют спустя 1 мин после очень интен­сивного перемешивания, и десятиминутным θ₁₀, измеряемым спустя 10 мин после перемешивания.

Статическое напряжение сдвига растворов для скважин с невы­сокой забойной температурой измеряют на приборах типа СНС-2 с коаксиальными цилиндрами (рис. 97).

На статическое напряжение сдвига большое влияние оказывают температура и продолжительность теплового воздействия. Если при повышении температуры примерно

до 100° С статическое напряжение сдвига интенсивно возрастает, то при более высоких температурах характер этого влияния часто более сложный. Поэтому статическое напряжение сдвига промывочных жидкостей для скважин с высокой температурой измеряют с помощью более сложных приборов, чем СНС-2, хотя и основанных обычно на таком же принципе.

Рис. 97. Прибор для измерения статического напряжения сдвига:

1 — цилиндр; 2 — упругая нить; 3 — стойка;

4 — стакан; 5 — вращающийся столик;

6 — электродвигатель; 7 — лимб; 8 — указатель;

9 — бесконечная пружина

Рис. 98. Стандартный полевой вискози­метр СПВ-5

Статическое напряжение сдвига должно интенсивно расти в пер­вые минуты покоя и быстро достигать предельного значения, кото­рое должно быть достаточным для удержания крупных выбуренных частиц в покое во взвешенном состоянии, или лишь немного пре­вышать эту величину. Не рекомендуется применять промывочные жидкости с очень высоким статическим напряжением сдвига, так как это может привести к серьезным осложнениям (высокие давления при восстановлении промывки, опасность разрыва пород, поглоще­ния и выбросов при перемещении колонны труб и др.). Обычно до­статочно, чтобы θ₁₀ ≤ 5Па. Лишь при операциях по ликвидации поглощений в некоторых случаях целесообразно использовать рас­творы с высоким статическим напряжением сдвига.

Условная вязкость. Одной из важнейших характеристик промы­вочной жидкости является ее прокачиваемость. О прокачиваемости можно судить по затрате энергии на циркуляцию жидкости с задан­ной объемной скоростью. Величина затрат энергии зависит от реологических свойств, таких как дина­мическая вязкость ньютоновской жидкости, пластическая вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига вязкопластичной жидкости (см. § 13).

Из-за отсутствия на буровых предприятиях достаточно компакт­ных и несложных приборов, с помощью которых можно было бы определить реологические свойства, прокачиваемость промывочных растворов принято характеризовать косвенно условной вязкостью. Под условной вязкостью Т₅₀₀ понимают продолжительность исте­чения 500 см³ тщательно перемешанного промывочного раствора из стандартного прибора СПВ-5, в который налито 700 см³ этой жидкости.

Стандартный полевой вискозиметр СПВ-5 (рис. 98) состоит из воронки высотой 300 мм с диаметром верхнего основания 150 мм, к которой снизу припаяна трубка длиной 100 мм с внутренним диа­метром 5 мм. В комплект вискозиметра входит также цилиндричеcкая кружка, разделенная внутренним дном на две секции емкостью 500 и 200 см³.

Водоотдача. В промывочной жидкости содержится значительное количество свободной (т. е. не связанной физически или химически с дисперсной фазой) воды. При промывке гидростатическое давление столба промывочной жидкости в скважине почти всегда поддерживают выше пласто­вого. Под влиянием разности давлений в скважине и пласте промывочная жид­кость стремится проникнуть в пласты. Размеры частиц дисперсной фазы, как правило, больше размера пор, поэтому основная масса частиц дисперсной фазы задерживается на стенках скважины, образуя плотную фильтрационную корку. Лишь немногим самым тонким частицам удается неглубоко проникнуть в наиболее крупные поры. Чем больше в растворе коллоидных частиц, тем меньше прони­цаемость корки.

Свободная же вода из промывочной жидкости фильтруется в пласты даже через мельчайшие поры и иногда может проникнуть весьма далеко от ствола сква­жины. С увеличением содержания колло­идных фракций и степени дисперсности твердых частиц скорость фильтрации и объем отфильтровавшейся свободной воды уменьшаются не только потому, что возрастает относительное содержание связной воды, но и потому, что на стенках скважины возникает почти непроницаемая корка. Поскольку увлажнение пород мо­жет неблагоприятно повлиять на их устойчивость, а проникновение воды в про­дуктивные пласты — на коллекторские свойства последних (см. лек. XII), необхо­димо контролировать и регулировать ско­рость фильтрации свободной воды, а так­же толщину и уплотненность фильтрационной корки.

В промысловой практике скорость фильтрации свободной воды из промывочной жидкости при невысоких температурах измеряют с помощью прибора ВМ-6 (рис. 99) при перепаде давлений 0,1 МПа; при высоких же температурах и давлениях пользуются более слож­ным прибором УИВ.

О скорости фильтрации судят по объему воды, выделившейся за 30 мин через фильтр диаметром 75 мм при избыточном давлении 0,1 МПа. Эту характеристику именуют водоотдачей. Каждое деле­ние шкалы прибора ВМ-6 соответствует 1 см³ фильтрата, выделив­шегося через фильтр указанного выше диаметра, хотя истинный диаметр решетки этого прибора в полтора раза меньше.

Рис. 99. Прибор ВМ-6 для измерения водоотдачи при обычной температуре:

1-поддон; 2-решетка; 3— стакан; 4 — цилиндр; 5— втул­ка; 6 — плунжер; 7— груз; 8 — кронштейн;

9 — тарелка клапана; 10 — зажимной винт; 11— игольчатый вентиль; 12- чашечка

Водоотдача зависит от состава промывочной жидкости, дисперс­ности твердых частиц, перепада давлений, температуры и некоторых других факторов. Водоотдача уменьшается с увеличением содержа­ния коллоидных частиц, возрастает при увеличении концентрации грубодисперсных частиц, например утяжелителя, а также с повыше­нием температуры. При увеличении перепада давлений водоотдача промывочных жидкостей, как правило, возрастает. Исключение со­ставляют только жидкости, обработанные такими химическими ре­агентами (например, лигносульфонатами), которые вызывают цено­образование. Водоотдача таких растворов при повышении перепада давлений выше некоторого значения снижается вследствие сжатия пузырьков воздуха, попавших в раствор при химической обработке, и уплотнения фильтрационной корки, уменьшения ее пористости и проницаемости.

Водоотдача промывочных растворов в покое намного меньше, чем при движении. Это объясняется прежде всего тем, что в покое по мере утолщения корки вследствие образования новых слоев и уплотнения возрастает сопротивление фильтрации, и тем, что умень­шается поровое давление в растворе; со временем водо­отдача может прекратиться. Если же раствор движется, устанавли­вается равновесие между отложением твердых частиц и образованием новых слоев корки, с одной стороны, и смывом наружных, наиболее слабых слоев, с другой стороны. Чем выше скорость течения рас­твора, тем тоньше корка, тем меньше ее фильтрационное сопротивле­ние и тем, следовательно, больше водоотдача.

Рис. 100. Прибор ВГ-1 для измерения содержа­ния газа и водоотдачи при обычной температуре:

обозначения 1—12 те же, что и на рис. 99;

13 — отвер­стие; 14 — двойная шкала;

15 и 16 — винты

Сжимаемость. В промывочной жидкости нередко оказывается некоторое количество воздуха (или природного газа), и она стано­вится сжимаемой. Знание степени сжимаемости жидкости и объем­ного содержания газа имеет большое значение для регулирования противодавления на стенки скважины, предотвращения серьезных осложнений.

Содерягание газа в промывочной жидкости можно определить с помощью прибора ВГ-1 (рис. 100). От прибора ВМ-6 он отличается в основном тем, что в цилиндр 4 ввинчена удлиненная втулка 5 с отверстием 13, а неподвижно фиксированная шкала цилиндра за­менена подвижной двойной шкалой 14.

Объем газа в порции жидкости, налитой в стакан прибора, вы­числяют по формуле

V_r = 2 ΔV_r, (5.1)

где ΔV_r — отсчет по шкале прибора в см³.

Коэффициент сжимаемости промывочной жидкости

(5.2)

где V — исходный объем жидкости, налитой в стакан 3 прибора ВГ-1, в см³).

Плотность. Одним из важных параметров промывочной жидкости является плотность р, т. е. масса единицы объема. От нее зависит величина давления, оказываемого промывочной жидкостью на стенки скважины и на пластовые жидкости и газы, величина потерь давле­ния на гидравлические сопротивления при турбулентном режиме течения в циркуляционной системе; она существенно влияет на ско­рость разрушения породы.

На буровых плотность определяют с помощью ареометра (рис. 101) или рычажных весов.

Рис. 101. Ареометр АГ-2 для измерения плотности промывочной жидкости:

1 — поплавок; 2 — стакан; 3 — шкала; 4 — сосуд с чистой водой; 5 — дополнительный груз

Если в промывочной жидкости содержится газ, истинная плот­ность ее в скважине будет больше измеренной ареометром, так как газ под гидростатическим давлением столба жидкости сжимается. Для технологических расчетов в глубоких скважинах следует поль­зоваться истинной величиной плотности промывочной жидкости:

ρ=k_сж ρ_а (5.3)

где ρ_а — плотность, измеренная ареометром, в кг/м³.

При небольшой же глубине (примерно до 1000 м) следует учиты­вать, что действительная плотность больше измеренной ареометром, но меньше определенной по формуле (5.3).

При бурении газовых и нефтегазовых скважин очень важно непрерывно контролировать плотность и газосодержание промы­вочной жидкости, выходящей из ствола скважины. Автоматический непрерывный контроль можно осуществлять при помощи комплекса приборов, разработанных в Украинском научно-исследовательском институте природного газа.

Водородный показатель рН. Дважды дистиллированная вода электрически нейтральна; концентрации положительных ионов Н" и отрицательных ионов ОН~ одинаковы, каждая равна

10^-7 . В кислой среде концентрация Н' больше 10^-7, в щелочной — меньше 10^-7. В химии принято вместо концентрации водородных ионов пользо­ваться водородным показателем рН, под которым понимают лога­рифм концентрации ионов Н", взятый с противоположным знаком. Таким образом, для кислой среды рН < 7, для нейтральной рН = 7 и для щелочной рН > 7.

Знание водородного показателя весьма важно. Известно, напри­мер, что при рН <7 существенно интенсифицируется коррозия стальных труб, а при рН ≥ 10 — труб из дюраля; промывочные растворы, обработанные некоторыми химическими реагентами, ста­бильны лишь в определенном, достаточно узком диапазоне рН и что за пределами этого диапазона расход реагентов резко воз­растает; термостабильность некоторых высокомолекулярных реаген­тов существенно возрастает, если поддерживается оптимальное зна­чение рН среды; с изменением рН промывочной жидкости иногда связано возникновение осложнений; по изменению рН среды мояшо судить о прохождении хемогенных пород.

Водородный показатель измеряют колориметрическим и элек­трическим способами.

Содержание «песка». В промывочной жидкости, наряду с нераспу­стившимися комочками глинистых пород, могут быть также частицы твердых, абразивных пород, вызывающие интенсивный износ обору­дования. Поэтому важно контролировать содержание таких ча­стиц, чтобы своевременно принять меры к удалению их из рас­твора.

145

Рис. 102. Отстойник для определения Рис. 103. Цилиндр для содержания «песка» оценки стабильности

Содержание в промывочной жидкости «песка», т. е. совокуп­ности частиц твердых пород и нераспустившихся комочков глины, определяют при помощи отстойника (рис. 102). Он представляет собой цилиндрический сосуд 1, в который снизу вмонтирована мен­зурка 3. Мерной кружкой 2 с двумя отсеками (емкостью один 50 см³, второй 450 см³) в отстойник наливают 50 см³ промывочной жидкости и 450 см³ воды. После интенсивного встряхивания отстойник уста­навливают вертикально и оставляют в покое па 1 мин. Процентное содержание «песка» численно равно удвоенному объему осадка в мен­зурке, скопившегося за время покоя.

Содержание «песка» в промывочной жидкости не должно пре­вышать 1—2%.

Стабильность. О седиментационной стабильности промывочной жидкости судят по двум показателям: водоотстою за 1 сут покоя и разности плотностей нижней и верхней половин столба жидкости, налитой в стандартный цилиндр (рис. 103) после 1 сут покоя. В хо­роших растворах суточный отстой равен нулю, разность плотностей не превышает в неутяжеленных растворах 20 кг/м³, а в утяжелен­ных 40—60 кг/м³.

При буренйи глубоких скважин с высокой забойной температу­рой возникает необходимость оценки термостойкости химически обработанных промывочных растворов. Общепризнанного способа оценки термостойкости пока нет. О сравнительной термостойкости растворов при различных рецептурах обработки можно судить по расходу реагентов на 1 м³ промывочной жидкости для поддержания исходных параметров после многократного нагрева ее до заданной температуры.

Химический состав фильтрата. Ионы Na', К", Са", Mg", С1~, , ОН^- и другие существенно влияют как на свойства промы­вочной жидкости, так и на устойчивость и деформацию горных по­род стенок скважин, на коллекторские свойства прискважинной зоны продуктивных пластов. Поэтому часто требуется не только определять свойства промывочной жидкости, но и делать химический анализ фильтрата. Методы такого анализа описаны в специальной литературе.