1.9. Плотность промывочной жидкости. Приборы для определения плотности.

Плотность промывочной жидкости это масса единицы объема, кг/м³.

При бурении скважин непременным условием предупреждения водопроявлений, обвалов стенок скважин и связанных с ними осложнений является регулирование гидростатистического давления столба бурового раствора в зависимости от давления водоносных пластов и порового давления глинистых пород. В зонах аномально высоких платовых давлений, зонах неустойчивых горных пород, чтобы не допустить водопроявлений и обвалов, необходимо поддерживать плотность раствора, при которой давление на стенки скважины было бы несколько больше пластового давления флюида.

С другой стороны повышенное давление столба жилкости способно вызвать гидравлический разрыв пластов, что может повлечь потери промывочной жидкости и другие последствия; повышенная плотность бурового раствора резко понижает механическую скорость бурения:

где - механическая скорость бурения при промывке водой, - плотность раствора, n – показатель степени, равный 2-3.

Следовательно, при бурении скважин необходимо постоянно регулировать плотность бурового раствора.

Для повышения плотности раствора повышают концентрацию глины или вводят специальные утяжелители.

Буровые растворы, приготовленные на основе бентонитовых глин, имеют невысокую плотность 1050-1080 кг/м³. Каолинитовые и иллитовые глины в зависимости от их качества позволяют получать растворы плотностью 1180-1300кг/м³, а за счет повышения концентрации обработки химреагентами – разжигателями – 1400-1450 кг/м³. Однако опыт показывает, что выгоднее использовать «нейтральные» утяжелители с высокой плотностью, так как они позволяют уменьшить концентрацию твердой фазы в растворе, а значит, повысить механическую скорость бурения и уменьшить расход утяжелителя.

Основной показатель качества утяжелителя – утяжеляющая способность, которая определяется плотностью раствора после введения 300 % утяжелителя (по массе к исходному раствору). Для создания раствора с условной вязкостью 60 с, водоотдачи 5-6см³ за 30 минут.

Утяжеляющая способность материала зависит от его плотности, дисперсности, гидрофильности и химического состава. Высокая степень дисперсности утяжелителя способствует повышению вязкости, а вязкость не позволяет повышать концентрацию утяжелителя и плотность раствора. Низкая степень дисперсности утяжелителя снижает седиментационную устойчивость. В зависимости от минерального состава утяжелители делят на 4 группы: карбонатные (мергель, =2650 кг/м³, известняк и мел =2700 кг/м³, доломиты =2900 кг/м³, сидерит =3900 кг/м³), баритовые (баритовые концентраты производства обогатительной фабрики цветной металлургии: КБ-1, КБ-2, КБ-3, КБ-4, КБ-5, плотностью 4050-4250 кг/м³), железистые (гематит =5300 кг/м³, магнетит =4900-5200 кг/м³, ильменит =4790 кг/м³).

Железистые утяжелители вследствие их абразивности применяют редко. При добавках галенита получают буровые растворы плотностью более 3000 кг/м³.

Для промывки скважин в устойчивых горных породах особенно в трещиноватых зонах с целью повышения механической скорости бурения и снижения поглощения плотность промывочной жидкости понижают (чаще сего за счет аэрации). Аэрация позволяет уменьшить плотность любых промывочных жидкостей в широких пределах. При этом возрастает вязкость раствора при концентрации воздуха С=0-54% она равна

где - исходная вязкость.

При концентрации воздуха С=54-96%

Плотность аэрированной жидкости определяется по формуле

,

где - плотность аэрированной и исходной жидкостей, а – количество воздуха в единице объема аэрированной жидкости, р₀,р – атмосферное и заданное давление.

Гидростатистическое давление аэрированной жидкости р на глубине h – статистических условий определяют из соотношения

,

Для придания промывочной жидкости закупоривающей способности в неё вводят наполнители. Для надежного закупоривания трещин размеры частиц наполнителя должны быть в 2 раза меньше раскрытия трещин.

Для аэрации промывочных жидкостей – применяют специальные аэраторы, а для стабилизации аэрированных растворов пенообразователи.

Плотность бурового раствора чаще всего определяют с помощью аэрометра АБР-1, состоящего из поплавка с балластом и съемного груза.

Перед измерением плотность раствора проверяют правильность его показаний. Для этого в стакан заливают пресную воду. Подсоединяют его к поплавку и опускают вместе с поплавком в ведерко с водой. Если по шкале 0,8-1,7 уровень воды мерка окажется выше или ниже 1.0, нужно определить причину (наличие засохшей глины в стакане, его деформация, попадание воды в поплавок и устранить её. При невозможности этого сделать по поправочной шкале определить поправку.

После определения поправки заполняют исследуемым раствором и отпускают его вместе с поплавком в ведерко с водой, по шкале 1,6-2,6 определяют плотность раствора; к этому показанию добавляют величину поправки. Если поплавок не погружается в воду, к стакану подсоединяют груз и отсчет ведется по шкале 0,8-1,7.

Для измерения плотности могут быть использованы также рычажные весы – плотномер ВРП-1 (рис 1.14). Плотномер состоит из стойки и рычага со стаканом. На рычаге имеются две призмы с помощью которых рычаг устанавливают на стойке, и две шкалы, соответствующие этим призмам. Для определения плотности стакан заполняют раствором до отверстия и закрывают крышкой, рычаг устанавливают на правую призму, с помощью подвижного груза стакан с раствором уравновешивают и показания снимают по нижней шкале.

Для более точного, измерения плотности раствора используют пикнометр (рис. 1.15) представляющий собой стеклянный сосуд с притертой пробкой и меткой на шейке.Для определения плотности раствора вначале взвешивают пустой пикнометр Р₁заполняют его до отметки исследуемым раствором, закрывают пробкой и вновь взвешивают Р₂.

Плотность бурового раствора рассчитывают по формуле: