4.9.2.8. Газожидкостные смеси (гжс)

К ГЖС относятся: пены и аэрированные промывочные жидкости (АПЖ).

Аэрацией называется процесс насыщения жидкости воздухом, реже другими газами. При этом газообразная фаза рассматривается как дисперсная, а жидкая – как непрерывная дисперсионная среда.

Объемное соотношение газообразной V_Г и жидкой V_Ж фаз называется степенью аэрации a = V_Г / V_Ж. Для АПЖ a < 60, для пен a = 60–300.

Способы приготовления АПЖ и пен:

1. Механический способ обеспечивает аэрацию жидкости с помощью компрессорных установок и специальных устройств – аэраторов (пеногенераторов).

2. Эжекционный способ. При этом способе жидкость аэрируется путем засасывания воздуха из атмосферы с помощью специальных эжекторных смесителей.

3. Химический способ обеспечивает вспенивание (аэрацию) жидкости при обработке ее ПАВ – пенообразователями и перемешивании.

4. Комбинированный способ сочетает механический (эжекционный) и химический способы аэрации.

Комбинированный способ аэрации является самым распространенным и эффективным, так как в присутствии ПАВ-пенообразователей существенно улучшаются условия диспергирования газа и повышается стабильность (устойчивость) всей дисперсной системы.

Наиболее высокую пенообразующую способность имеют анионоактивные ПАВ, в частности, сульфонол, прогресс.

Оптимальные добавки ПАВ-пенообразователей составляют 0,1–0,4 % к объему жидкой фазы. С экологических позиций необходимо использовать биологически нестойкие ПАВ, быстро разлагающиеся под воздействием солнца и бактерий (сульфонол НП-3, хлористый сульфонол и др.).

Основным отличительным свойством АПЖ и пен является их низкая плотность. При атмосферном давлении плотность АПЖ может составлять 100–1000 кг/м³, пен – 50–100 кг/м³.

Низкая плотность АПЖ и пен обусловливает целый ряд преимуществ их перед буровыми растворами:

– вследствие снижения давления на забой скважины увеличиваются механическая скорость бурения и проходка на долото (коронку);

– появляется возможность бурения в зонах АНПД (К_а = 0,3–0,8 для АПЖ; К_а < 0,3 для пен), поглощающих промывочную жидкость;

– уменьшается вредное воздействие на продуктивные горизонты с низким пластовым давлением.

Другими отличительными особенностями, присущими, главным образом, пенам, являются:

– улучшение условий очистки забоя скважины от шлама в результате флотационного эффекта, заключающегося в способности частиц выбуренной породы прилипать к воздушным пузырькам и выноситься ими в затрубное пространство;

– высокая несущая способность потока, которая у пен в 7–8 раз выше, чем у воды;

– низкая теплопроводность, что весьма важно при бурении скважин в ММП (слой пены, контактирующий с ММП, быстро замерзает и препятствует обрушению стенок скважин);

– возможность регулирования функциональных свойств в широком диапазоне путем изменения степени аэрации и состава пен.

Недостатками АПЖ и пен являются:

– сложность приготовления (требуется дополнительное оборудование: компрессор, аэратор-пеногенератор, дозатор ПАВ, обратный клапан в ведущей трубе, специальная обвязка и др.);

– сложность закачивания в скважину, так как ГЖС плотностью менее 500 кг/м³ могут подаваться в скважину только при одновременной работе насоса и компрессора с установкой на нагнетательных клапанах бурового насоса дожимного устройства (бустера);

– сложность очистки от шлама на поверхности, так как для этого пену необходимо разрушить;

– повышенный коррозионный износ бурильных труб и другого оборудования вследствие окислительного действия газообразной среды.

Ниже рассмотрена современная газожидкостная система AphronICS™. Система AphronICS™ –новое семейство очистных агентов на основе афронов – микропузырьков воздуха диаметром 20–100 мкм.

Главными отличиями афронов от обычных пен являются:

1. Двухслойная оболочка с промежуточным слоем воды. В пене оболочка пузырька воздуха состоит из одного мономолекулярного слоя ПАВ.

2. Гидрофобный характер наружной поверхности микропузырька. В случае традиционных пен характер наружной поверхности – гидрофильный.

3. Газовое ядро находится под давлением.

4. Малый размер, высокая прочность и стабильность структуры. Сжимаемость афронов под воздействием внешнего давления на порядок ниже пен. Благодаря упругости, гидрофобному характеру наружной поверхности, наличию микропузырьков и конгломератов самых разных размеров (от десятков микрон до нескольких миллиметров) афроны обладают способностью кольматировать широкий диапазон проницаемых сред – от низкопроницаемых песчаников до трещиноватых известняков проницаемостью в десятки Дарси, выдерживая перепады давления более 10 МПа. При этом благодаря упругости афронов, кольматационная корка легко разрушается и удаляется даже при минимальной депрессии (0,5–1 МПа).

Афроны образуются в растворе автоматически под воздействием высоких механических напряжений и кавитации (например, в центробежных насосах, гидромониторных насадках долот, гидросмесителях, гидроциклонах и т.п.) при соблюдении ряда условий. Для их закачки в скважину не требуется использование компрессоров высокого давления или другого дорогостоящего или нестандартного оборудования. Благодаря малому размеру и высокой прочности, афроны не оказывают влияния на работу буровых и центробежных насосов, а также полностью совместимы с телеметрическими системами, использующими гидравлический канал передачи данных. Афроны легко проходят даже через мелкие сетки вибросит, а под воздействием центробежных сил в гидроциклонах и центрифуге всплывают и отделяются вместе с чистым раствором.

Стабильность афронов и эффективность их применения в качестве дисперсной фазы рабочих жидкостей, используемых при бурении и заканчивании скважин, определяется прочностью и качеством двухслойной защитной оболочки. Для этого используется запатентованная смесь ПАВ и полимеров (таблица 4.31). Несмотря на новизну концепции и сравнительную сложность технологии, AphronICS™ сравнительно легок в приготовлении и использовании, содержит небольшое число компонентов, во многом напоминая систему Flo-Pro™. В качестве первого приближения AphronICS™ можно рассматривать как Flo-Pro, где в качестве кольматирующего материала вместо карбоната кальция используются микропузырьки воздуха (таблица 4.32).

Таблица 4.31 Стандартная рецептура AphronICS™
Наименование	Описание / назначение	Типовая концентрация, кг/м3
Go Devil II	Патентованная смесь полимеров для стабилизации оболочки афронов	8–12
Activator I	Модифицированный крахмал, понизитель фильтрации	14–15
Activator II	Термостабилизатор и буфер рН	1,4–1,5
Blue Streak	ПАВ для генерирования и стабилизации афронов	2,1–2,2
ActiGuard	Ингибитор глинистых пород	9–12

Таблица 4.32 Дополнительные и вспомогательные реагенты (в случае необходимости)
Наименование	Описание / назначение	Типовая концентрация, кг/м3
PassiVator	Специальный пеногаситель для нейтрализации Blue Streak	0,2–1
KCL	Плотность раствора + дополнительное ингибирование	30–200
Kla-Cure	Органический ингибитор	10–12
M-I Cide	Жидкий бактерицид	0,5–0,6
Soda Ash	Контроль жесткости	0,5–2

Начальная плотность раствора на поверхности должна составлять ~ 860–900 кг/м³, а содержание воздуха (афронов) – 12–14 %.