4.6. Показатели оценки качества материалов

4.6.1. Определение объемной концентрации в буровом растворе твердой фазы и частиц коллоидных размеров

Механическая скорость бурения, как было показано в 4.4.1, в значительной степени зависит от величины дифференциального давления, определяемой разностью между гидродинамическим давлением промывочной жидкости на забой скважины и поровым (пластовым) давлением. При этом на величину дифференциального давления превалирующее влияние оказывает плотность промывочной жидкости.

В то же время промывочные жидкости с одной и той же плотностью могут содержать разное количество твердой фазы. Так, для приготовления 1м³ глинистого раствора плотностью 1100 кг/м³ потребуется 173,6 кг глины с плотностью и влажностью соответственно равными 2650 кг/м³ и 7,5 %, при этом объем глины составит 0,074 м³. Промывочную жидкость той же плотности можно получить из 36,26 кг глины (_г = 2650 кг/м³, n = 0,075) и 105,57 кг барита (_у = 4250 кг/м³, n_у = 0,02), при этом суммарный объем твердой фазы будет в 2 раза меньшим – 0,037 м³.

Известно, что объемная концентрация твердой фазы и степень ее дисперсности оказывают на механическую скорость бурения и не менее значимое влияние, чем дифференциальное давление. Это влияние обусловлено образованием на забое фильтрационной корки, проницаемость которой по мере роста объемной концентрации и степени дисперсности твердой фазы снижается, что препятствует выравниванию давлений в скважине и в порах горных пород (трещине отрыва) и затрудняет тем самым удаление выбуренных частиц с забоя скважины.

Величина потерь механической скорости бурения (_мех, %) по мере роста объемной концентрации твердой фазы в диапазоне от 4 до 12 % может быть определена по следующим формулам

_мех = 2,6 С_б – 10,4; (4.93)

_мех = 4,8 С_ш – 19,2; (4.94)

_мех = 6,7С_г – 26,8, (4.95)

где С_б, С_ш, С_г - объемная концентрация в промывочной жидкости соответственно барита, бурового шлама и глины, %.

Из формул (4.93) – (4.95) следует, что при 1 %-м росте объемной концентрации в промывочной жидкости барита, шлама и глины механическая скорость бурения соответственно снижается на 2,6; 4,8 и 6,7 %.

Наибольшее негативное влияние на _мех объемной концентрации глины объясняется высокой степенью ее дисперсности, т.е. высокой концентрацией в ней частиц коллоидных размеров (менее 2 мкм), которые, главным образом, и обусловливают низкую проницаемость образующейся на забое фильтрационной корки.

В этой связи в соответствии с рекомендациями ВНИИКРнефти объемное содержание частиц коллоидных размеров (С_к, %) в неутяжеленной промывочной жидкости с   1200 кг/м³ не должно превышать 2–3 %.

Концентрация в промывочной жидкости той или иной твердой фазы и других компонентов может быть определена с помощью установки ТФН-1.

Установка TФH-1 состоит из следующих основных узлов: нагревательного устройства, конденсатора, испарителя и измерительного цилиндра. Все основные узлы и детали установки расположены внутри металлического корпуса, имеющего откидную крышку.

Нагревательное устройство (pиc. 4.30) включает в себя электронагреватель 1 и термостат 2. Конденсатор представляет собой цилиндр 3, наполненный теплопоглощающим материалом 4. Внутри цилиндра расположена трубка 5, на верхнем конце которой приварена крышка 6, к которой крепится испаритель.

Испаритель (рис. 4.31) состоит из нижней камеры 1, верхней камеры 2, калибровочной крышки 3 и фильтра 4.

Измерительный цилиндр объемом 10 см³ имеет шкалу с ценой деления 0,2 см³.

Нагрев пробы промывочной жидкости в нижней камере испарителя пpoизводится теплом корпуса термостата, который в свою очередь нагревается от электронагревателя. Пары жидкой фазы промывочной жидкости через верхнюю камеру испарителя и фильтр попадают в дренажную трубку, проходят конденсатор и в виде капель стекают в измерительный цилиндр. Разделение конденсата в измерительном цилиндре на составные части (вода и углеводородная жидкость) происходит за счет различных значений их плотности.

Рис. 4.30. Схема установки ТФН-1 Рис. 4.31. Испаритель

установки ТФН-1

Техническая характеристика ТФH-1

Объем выпариваемой пробы промывочной жидкости, см³ . . . 10;

Температура нагрева промывочной жидкости, C . . . . 450 ± 50;

Продолжительность анализа, мин . . . . . . . . . . не более 60;

Основная приведенная погрешность определения концентрации твердой и жидкой фаз, % . . . . . . . . . . . . . . . . . . не более 4;

Электрическое питание установки . . . . . . . . переменный ток напряжением 220 ± 45 В.

В ы п о л н е н и е р а б о т ы. Взвешиванием на аналитических или квадрантных весах определить общую массу (m₁) предварительно очищенных от пыли и грязи деталей испарителя (нижняя камера, калибровочная крышка, верхняя камера и фильтр).

Заполнить промывочной жидкостью нижнюю камеру испарителя, закрыть ее калибровочной крышкой, соединить с верхней камерой и фильтром, после чего определить массу испарителя вместе с исследуемой промывочной жидкостью (m₂).

Испаритель соединить с конденсатором; гаечными ключами затянуть все резьбовые соединения, прикладывая момент 20–40 Н^.м; вставить испаритель в гнездо термостата; против сливного отверстия конденсатора установить измерительный цилиндр.

Закрыть откидную крышку и включить установку в сеть. Начало нагрева установки контролируется по загоранию сигнальной лампочки на передней панели.

После прекращения выпадания капель конденсата в измерительный цилиндр, что свидетельствует об окончании анализа, отключить установку от сети.

Открыть откидную крышку, извлечь испаритель с конденсатором и установить их в специальной подставке для охлаждения (температура испарителя перед разборкой и взвешиванием должна быть не выше 50 С).

Определить полученные в измерительном цилиндре конденсатные объемы воды V_в и углеводородной жидкости (нефти, эмульсионного концентрата и др.) V_н с точностью до 0,1 см³.

Охлажденный испаритель отсоединить от конденсатора и взвесить (m₃).

По приведенным ниже формулам рассчитать плотность анализируемой промывочной жидкости; объем, плотность и объемную концентрацию всей твердой фазы и отдельных ее составляющих, а также объемную концентрацию в промывочной жидкости водорастворимых солей

 = (m₂ – m₁) / 10; (4.96)

С_с = 54,1_ф – 54,1; (4.97)

V_с = С_с / 10; (4.98)

V_т = 10 – V_в – V_н – V_с; (4.99)

_т = (m₃ – m₁) / V_т; (4.100)

С_н = 10 V_н; (4.101)

С_т = [100 ( – 1) + 0,2 С_н – 1,85 С_с] / (_т – 1); (4.102)

С_у = [_у (_т – _г) С_т] / [_т (_у – _г)]; (4.103)

С_г = С_т – С_у, (4.104)

где m₁, m₂, m₃ – масса соответственно пустого испарителя, испарителя с пробой промывочной жидкости и испарителя с твердой фазой, г; , _ф, _г, _у, _т – плотность соответственно промывочной жидкости, ее фильтрата, глины, утяжелителя и твердой фазы в целом, г/см³; С_г, С_у, С_т, С_н, С_с – объемная концентрация в промывочной жидкости соответственно глины, утяжелителя, твердой фазы в целом, нефти (углеводородной жидкости) и соли, %; V_т, V_с – объем соответственно твердой фазы и соли в пробе промывочной жидкости, см³; V_в, V_н – конденсатный объем соответственно воды и нефти (углеводородной жидкости) в измерительном цилиндре, см³; 10 – вместимость камеры испарителя (объем пробы промывочной жидкости), см³.

Если _ф  1 г/см³; _т  2,65 г/см³ и V_н = 0, то водорастворимые соли, утяжелитель и нефть (углеводородная жидкость) в исследуемой промывочной жидкости отсутствуют.

Пример 1. При взвешиваниях испарителя ТФН-1 и отсчетах конденсатных объемов в измерительном цилиндре получены следующие результаты: m₂ –m₁ = 17 г; m₃ –m₁ = 9,8 г; V_в = 6,3 см³; V_н = 1,1 см³. Предварительно измеренная плотность фильтрата испытуемой промывочной жидкости (_ф) составила 1,03 г/см³.

Отсюда по формулам (4.96) – (4.104)

 = 17 / 10 = 1,7 г/см³;

С_с = 54,11,03 – 54,1 = 1,623 %;

V_с = 1,623 / 10 = 0,1623 см³;

V_т = 10 – 6,3 – 1,1 – 0,1623 = 2,4377 см³;

_т = 9,8 / 2,4377 = 4,02 г/см³;

С_н = 10  1,1 = 11 %;

С_т = [100 (1,7 – 1) + 0,2  11 – 1,85  1,623] / (4,02 – 1) = 22,913 %;

С_у = [4,25 (4,02 – 2,65) 22,913] / [4,02 (4,25 – 2,65)] = 20,742 %;

С_г = 22,913 – 20,742 = 2,171 %.

Концентрацию в промывочной жидкости твердой фазы и других компонентов чуть менее точно можно определить и при отсутствии аналитических или квадрантных весов. В этом случае необходимо предварительно измерить плотность исследуемой промывочной жидкости, желательно с помощью пикнометра, и, исключая процесс взвешивания, в описанном выше порядке провести анализ. По результатам анализа определить полученные в измерительном цилиндре конденсатные объемы воды и нефти (углеводородной жидкости) с точностью до 0,1 см³; по формулам (4.97) – (4.99) рассчитать С_с, V_с и V_т; по приведенным ниже формулам – массу и плотность твердой фазы, после чего по формулам (4.101) – (4.104) выполнить все остальные расчеты

m_т = 10  – 1,0 V_в – 0,8 V_н – 2,85 V_с; (4.105)

_т = m_т / V_т, (4.106)

где m_т – масса твердой фазы, г; 0,8 – плотность нефти, г/см³; 2,85 – плотность соли, г/см³.

Пример 2.Измеренные значения плотности испытуемой промывочной жидкости () и ее фильтрата (_ф) получились равными соответственно 1,24 и 1,00 г/см³. Конденсатные объемы воды (V_в) и углеводородной жидкости (V_н) в измерительном цилиндре ТФН-1 составили соответственно 8,3 и 0,5 см³.

Отсюда

V_т = 10 – 8,3 – 0,5 = 1,2 см³;

m_т = 10  1,24 – 1,0  8,3 – 0,8  0,5 = 3,7 г;

_т = 3,7 / 1,2 = 3,08 г/см³;

С_н = 10  0,5 = 5 %;

С_т = [100 (1,24 – 1) + 0,2  5] / (3,08 – 1) = 12 %;

С_у = [4,25 (3,08 – 2,65) 12] / [3,08 (4,25 – 2,65)] = 4,45 %;

С_г = 12 – 4,45 = 7,55 %.

Концентрацию в промывочной жидкости частиц коллоидных размеров определяют путем титрования ее метиленовой синью (МС). Объем МС (V), израсходованный на титрование 2 см³ исследуемой промывочной жидкости, сравнивают с эталонным значением (Э), за которое принят объем МС, адсорбируемый 1 г частиц бентонита размером менее 2 мкм, составляющий в среднем 59 см³.

Объем МС на титрование 2 см³ исследуемой промывочной жидкости определяют в полном соответствии с методикой оценки коэффициента коллоидальности глин, рассмотренной в главе 8.

Объемную концентрацию в промывочной жидкости частиц коллоидных размеров (С_к, %) находят по следующей формуле

С_к = а V, (4.107)

где V – объем МС, израсходованной на титрование 2 см³ исследуемой глинистой суспензии, см³; а – расчетный коэффициент.

а = 100 / (Э V_р _г), (4.108)

где Э – величина абсорбции МС 1 г частиц бентонита размером менее 2 мкм, см³ (Э = 59); V_р – объем промывочной жидкости, взятой для титрования, см³ (V_р = 2); _г – плотность глины, кг/м³.

При _г = 2,6 г/см³

С_к  0,33 V. (4.109)

Вместо МС для определения коэффициента коллоидальности глин и концентрации в промывочных жидкостях глинистых частиц коллоидных размеров можно использовать катионный черный «К» (ТУ 6-14-280-78). В этом случае для титрования используют раствор 1,35 %-й концентрации (1,35 г порошка катионного черного «К» на 100 см³ дистиллированной воды). Титрование считается законченным тогда, когда за темно-коричневым кругом появляется желтый ореол. В остальном порядок работы с катионным черным «К» аналогичен порядку, описанному для МС.