Лабораторная работа № 6

6.1. Приготовление суспензии из глинопорошка и определение показателей свойств глинистого раствора. 6.2. Изучение влияния соды на дисперсии глинопорошка в воде

6.1. Приготовление суспензии из глинопорошка и определение показателей свойств глинистого раствора

Цель работы: изучение методики приготовления глинистого раствора и определения основных свойств суспензии с использованием приборов, входящих в состав лаборатории глинистых растворов ЛГР-3:

1. Плотности ρ, г/см³;

2. Условной вязкости Т, сек;

3. Содержание песка и грубодисперсной глинистой фракции П, %;

4. Показателя фильтрации за 30 минут (водоотдачи) Ф₃₀, см³;

5. Толщины фильтрационной (глинистой корки) К, мм;

6. Статического напряжения сдвига за 1 и 10 мин соответственно СНС_1/10, Па;

7. Стабильности С, г/см³;

8. Суточного отстоя О, %

9. Водородного показателя рН.

Объем лабораторной работы – 4 часа.

Аппаратура и материалы для выполнения работы

Материалы: вода, глинопорошок.

Инструменты:

• ареометр АГ-2; вискозиметр ВП-5;

• прибор ОМ-2; прибор ВМ-6;

• прибор СНС-2; отстойник ЦС-2;

• мерный цилиндр на 100 см³;

• лабораторная глиномешалка (миксер);

• секундомер; весы лабораторные;

• универсальная индикаторная бумага.

Теоретические сведения

Выбор вида очистного агента для конкретных условий бурения – очень важная задача. От правильного выбора рабочих параметров промывочной жидкости зависят обеспечение вы­соких технико-экономических показателей бурения и снижение затрат на крепление скважины. Этот вопрос решается с учетом геологических и гидрогеологических условий залегания пород, их литологического и химического составов; устойчивости пород под воздействием фильтрата промывочной жидкости; наличия проницаемых пластов, их мощности и пластовых давлений, а также наличия сырья для приготовления промывочного агента.

В зависимости от перечисленных условий и глубины сква­жины тот или иной очистной агент иногда приходится выби­рать не только для каждого района, участка или отдельной скважины, но и для бурения различных интервалов в одной скважине. Правильный выбор очистного агента и способа удаления разрушенной породы в значительной степени опреде­ляет успешное бурение скважины и его экономичность.

В настоящее время в качестве буровых растворов применяют водные растворы различных органических и неорганических веществ, растворы на нефтяной основе, истинные растворы и коллоидально-суспензионные системы.

Наибольшее распространение получили следующие типы растворов:

1. Техническая вода.

2. Глинистые растворы (нормальные, малоглинистые, утяжеленные).

3. Специальные глинистые растворы (известковые, гипсовые, хлоркальциевые, эмульсионные, силикатно-глинистые и др.).

4. Аэрированные глинистые растворы.

5. Естественные водные растворы, образующиеся в процессе бурения скважин на основе выбуренных пород (гипсово-ангидритовые, карбонатные, аргиллитово-алевролитовые и др.).

6. Водные растворы поверхностно-активных веществ.

7. Силикатные и силикатно-гуминовые.

8. Растворы на нефтяной основе и многие др.

Во всех случаях, когда это возможно, для улучшения пока­зателей работы породоразрушающего инструмента следует применять воду или промывочный агент с малым содержанием твердой фазы и небольшим значением вязкости. При этом необходимо знать точный или пред­полагаемый геологический разрез скважины, ее конструкцию, параметры режима бурения, наличие и возможность поставки материалов и химических реагентов.

При выборе параметров ПА следует руководствоваться следующим правилом: давление циркулирующего промывочного агента не должно приводить к раскрытию трещин наиболее слабых по­род и к возникновению поглощения. Одновременно оно должно быть достаточным для предотвращения притоков жидкости (газа), а также обвала и выпучивания пород.

Порядок выполнения работы

Приготовление суспензии глинопорошка

Взвешиваем расчетное количество глинопорошока. В мерный стакан наливаем необходимое количество воды. Воду ставим под миксер и включаем его. Медленно высыпаем глинопорошок, чтобы не образовались комочки и перемешиваем в течение 5-10 мин до полного растворения глинопорошка.

Методика расчета основных параметров

Например: необходимо приготовить 3%, 5%, 6% глинопорошка на 300 мл раствора. Влажность m глинопорошка 7%.

Расчет ведем через массовую концентрацию (кг/м³ или г/см³):

,

где _ГЛ = 2,6 г/см³ – плотность глинопорошка.

Рассчитаем необходимое количество глинопорошка в граммах:

3% - 100 мл; Х – 300 мл; Х = 9 г.

Тогда с учетом влажности:

9 – 100%; Х – 7%; Х = 0,63.

Таким образом, необходимое количество глинопорошка определится:

9 + 0,63 = 9,63 г.

V = 9,63/2,6 = 3,7

Объем воды:

V_В = 300 – 3,7 = 296 мл воды

Необходимо взять 9,63 г глинопорошка и 296 мл воды

Для остальных концентраций глинопорошка расчет аналогичен.

Например, на 500 мл воды необходимо взять 4% глинопорошка с влажностью 7%.

Расчет ведем аналогично изложенному выше расчету:

4% - 100 мл; Х – 500 мл; Х = 20 г.

С учетом влажности:

20 – 100%; Х – 7%; Х = 1,4.

Таким образом, необходимое количество глинопорошка определится:

20 + 1,4 = 21,4.

V = 21,4/2,6 = 8,2.

V_В = 500 – 8,2 = 492 мл воды

Необходимо взять 21,4 г глинопорошка и 492 мл воды

Результаты исследований оформляются в виде отчета с обязательным приведением следующей таблицы:

Содержание глинопорошка	Состав
	глинопорошок	вода
3%
4%
5%

Определение показателей свойств глинистого раствора

1. Ознакомиться с техническими описаниями приборов.

2. В соответствие с описанной выше методикой, приготовить 3-5 л глинистого раствора. Для этого в зависимости от степени коллоидальности глины необходимо взять 0,5-2,5 кг глинопорошка. Поместить глину в глиномешалку и налить воды до общего объема в глиномешалке 3-5 л. Включить глиномешалку на 30-40 мин. В случае если глина комовая, то ее необходимо предварительно замочить в воде на несколько часов.

3. Провести поверку приборов ареометра и вискозиметра, используя для этого воду, плотность которой по АГ-2 и вязкость по СВП-5 должны составить 1 г/см³ и 15 секунд соответственно. Если эти значения отличаются, то в последующем вносить соответствующие поправки при определении свойств бурового раствора.

4. Определить параметры раствора.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И МЕТОДАХ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Плотность – это масса единицы объема (г/см³ или в кг/м³). Плотность зависит от содержания и состава твердой фазы. Повышение плотности отрицательно влияет на механическую скорость бурения, и в то же время она способ­ствует созданию давления на стенки скважины и предотвра­щает их обрушение, притока в скважину воды, нефти. С по­нижением плотности уменьшаются поглощения промывочных жидкостей. Поэтому для ее снижения в промывочную жид­кость вводят воздух и получают аэрированный раствор.

Плотность ρ (г/см³) определяет гидростатическое давление столба бурового раствора на забой и стенки скважины. Это давление в любой точке скважины определяется из уравнения:

кг/см²,

где ρ – плотность бурового раствора, г/см³;

Н – расстояние от уровня жидкости в скважине до рассматриваемой точки по вертикали, м.

Гидростатическое давление столба бурового раствора оказывает взаимно неоднозначное влияние на процесс бурения.

При бурении пластов, содержащих жидкость (газ) с большим пластовым давлением (Р_ПЛ), гидростатическое давление столба бурового раствора предотвращает проникновение пластовой жидкости (газа) в скважину при соблюдении условия: Р_Г>Р_ПЛ.

Буровые растворы с большим удельным весом (высокое Р_Г) предохраняют стенки скважины от обрушения при бурении сильно трещиноватых пород, обеспечивая нормальный технологический процесс бурения. Отрицательное значение гидростатического давления столба бурового раствора заключается в том, что оно повышает прочность горных пород на забое и способствует снижению скорости бурения.

Бурение скважин ведется в разных геолого-технических условиях, и для успешной их проходки использу­ются разнообразные по составу и качеству промывочной жидкости. Для контроля качества промывочных жидкостей применяется ряд технологических параметров.

Плотность промывочной жидкости измеряют ареометрами постоянного объема АГ-3ПП, АГ-2 или АБР-1, имеющими одинаковый принцип устройства.

В состав прибора АБР-1 (рисунок) входит металлический футляр в виде ведерка 9 с крышкой, служащей пробоотборником для раствора.

Прибор состоит из мерного стакана 5, донника 6, по­плавка 7, стержня 3 и съемного калибровочного груза 1. На стержне 8 поплавка 7 имеются две шкалы: одна с делениями от 0,9 до 1,7 г/см³ и другая от 1,6 до 2,4 г/см³. При измерении мерный стакан 5 до верха заполняется испытуемым раствором, избыток которого стекает через боковые отверстия в верхней части мерного стакана, присоединяются поплавок, и ареометр в вертикальном положении опускается в футляр-ведро 9 с чистой пресной водой. Кроме того, прибор включа­ет в себя заглушку 2, компенсационный груз 3, балласт 4 и пробку 11. Отсчет плотности берут на уровне воды в сосуде обычно по шкале 10 с меньшими значениями плотности. Если раствор утяжеленный и ареометр полностью тонет в воде, груз 1 снимают, опускают ареометр в воду без груза и отсчет берут по шкале с большими значениями плотности.

Перед применением ареометра проверяется точность его показаний путем определения плотности пресной воды. Исправный ареометр должен показывать плотность, равную 1,0 г/см³. Допускается погрешность измерения ±0,01 г/см³.

Плотность нормального глинистого раствора в зависимости от требуемого гидростатического давления должна быть в пределах 1,08-1,45 г/см³; аэрированного (насыщенного воздухом) 0,7-0,9 г/см³; утяжеленного (с добавкой порошка барита или гематита) до 2,30 г/см³.

Условная вязкость УВ₅₀₀ измеряется временем истечения 500 см³ раствора через калиброванную трубку вискозиметра, воронка которого запол­нена 700 см³ раствора. Условная вязкость не имеет строгого научного обоснования, но позволяет оценивать технологические свойства бурового раствора. Вязкость неутяжеленных растворов должна быть равна 25±5 с.

Если вязкость находится в пределах 16-19 с, то это свидетельствует о недостаточной концентрации глины в растворе. При наличии зон поглощений вязкость повышают до 80 с и более. Благодаря силам внутреннего трения и сцепления между частицами дисперсной фазы, глинистые растворы обладают способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы выбуренной породы и тонкоразмолотые порошки утяжелителей.

Условная вязкость определяется при помощи стандартного полевого вискозиметра ВБР-1. Прибор (рис.) состоит из воронки 1 с латунной трубкой с внутренним диаметром 5 мм и длиной 100 мм, кружки 2 с глухой перегородкой, разделяющей ее на две емкости 200 и 500 см³, и сетки 3.

Перед определением вязкости раствор взбалтывают. Воронку промывают водой и затем через сетку в нее наливают 700 см³ раствора, закрыв при этом снизу трубку пальцем. После этого в отделение кружки емкостью 500 см³ выцеживают раствор. Время истечения 500 см³ замеряют секундомером.

Определение условной вязкости производить не менее трех раз.

Правильность показаний вискозиметра проверяется на чистой, пресной воде при комнатной температуре. При ис­правном вискозиметре условная вязкость воды Т=15 с.

Повышенная вязкость раствора способствует увеличению выхода керна, выносу частиц шлама и устойчивости стенок скважин в рыхлых породах. В то же время при повышенной вязкости раствора снижается механическая скорость буре­ния, увеличиваются гидравлические сопротивления, ухудша­ется очистка раствора от шлама.

Определение процентного содержания песка П (%) и грубодисперсных глинистых фракций основано на явлении седиментации¹ грубодисперсных частиц в разбавленном растворе (глинистый раствор разбавляется водой в отношении 1:9 и отстоем в течение 1 мин). За это время в осадок выпадают фракции песка крупнее 0,1 мм. Для более полного осаждения всех фракций песка, в том числе и тонкодисперсных, оставляют прибор в покое в течение 3 мин.

Определение производят из равенства:

% (объемных),

где П – содержание песка и грубой фракции, %;

V₀ – объем песка в отстойнике ОМ-2, см³.

Значение П не должно превышать 3-4%. Песок является вредной примесью, способствующей износу бурильных труб и отдельных деталей бурового насоса.

Содержание песка в растворе определяется с помощью ме­таллического отстойника ОМ-2 (рис.), представляющего собой цилиндр 2 со стеклянной измерительной пробиркой 4 в нижней части. На боковой поверхности пробирки имеется шкала 8 с делениями через 0,1 см. Пробирка крепится в про­рези цилиндра 2 с помощью винта 7, перекладины 6 и про­кладок 3 и 5. Сверху отстойник закрывается крышкой-колпаком 1 объемом 50 см³.

Для определения содержания песка в отстойник сначала заливают 200-300 см³ воды, затем с помощью крышки-колпа­ка заливают 50 см³ испытуемого раствора. Затем доливают воду до тех пор, пока она не начнет изливаться через отвер­стие диаметром 3 мм. Надев крышку и закрыв отверстие пальцем, отстойник несколько раз переворачивают и встряхивают, после чего ус­танавливают в вертикальное положение и оставляют в покое 1-2 мин. За это время из раствора оседают частицы размером более 0,02 мм.

По делениям на шкале пробирки определяют объем осев­ших частиц (в см³), этот результат умножают на два и получа­ют содержание песка (в %).

При значительном содержании песка в растворе происходит быстрый износ деталей насоса, бурового сальника (вертлюга) и другого оборудования. Во время остановки циркуляции песок оседает на забой скважины и может прихватить колонковый снаряд.

Водоотдачей (фильтрацией Ф₃₀, см³) называется количество жидкой фазы, отфильтровавшейся из бурового раствора через бумажный фильтр под действием избыточного давления при отсутствии движения жидкости вдоль поверхности фильтра.

Водоотдача характеризует способность глинистого раствора отфильтровывать воду в пористые породы. Показатель водоотдачи характеризуется объемом воды в кубических сантиметрах, отфильтровывающейся в течение 30 мин из 100 см³ глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа.

Водоотдача имеет большое значение при бурении в пористых породах. Глинистые растворы с большой водоотдачей образуют рыхлую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки бурового инструмента при подъеме. Проникновение воды в глинистые породы вызывает их набухание и выпучивание в ствол скважины. Снижение водоотдачи глинистого раствора способствует устранению этих явлений.

Толщина фильтрационной корки измеряется металлической линейкой (в мм) и обозначается буквой К.

Водоотдачу глинистого раствора определяют на приборе ВМ-6 (рис.). Между фильтрационным стаканом 5 и поддоном 6 закладывают решетку 7, накрытую кружком смоченной фильтровальной бумаги, и закрывают клапан с помощью винта 9. В стакан 5 заливают 100 см³ глинистого раствора. Поверх раствора в цилиндр 2 заливают машинное масло и опускают в цилиндр плунжер 3. Приоткрывают вентиль 10, спускают избыток масла с тем, чтобы нулевое деление на шкале совпало с меткой на цилиндре 2. При помощи винта 9 открывают клапан 8 и одновременно фиксируют время.

Давление на глинистый раствор, находящийся в стакане 5, передается через масло весом груза, состоящего из массивного кольца, цилиндрического корпуса и плунжера. Величина давления равна 0,1 МПа. Отсчет результатов измерения ведется по шкале. Через 30 мин по шкале отсчитывают величину водоотдачи. Для преодоления трения плунжера в цилиндре во время испытания периодически вращают плунжер 3 рукой за накатку кольца 4. Закончив испытание, открывают спускной вентиль 10, удаляют масло из цилиндра и опускают плунжер с грузом. Затем разбирают прибор, вынимают из стакана фильтр с глинистой коркой и измеряют ее толщину. Все детали тщательно промывают и вновь собирают прибор.

Зависимость водоотдачи от времени выражается прямой линией. Поэтому, измерив водоотдачу за два промежутка времени (например, 2 и 10 мин), можно методом графической экстраполяции полу­чить водоотдачу за 30 мин. При таком методе определения во­доотдачи толщина и качество фильтрационной корки не пока­зательны.

Нормальной для глинистых растворов считается водоотдача не более 25 см³ за 30 мин. Для борьбы с прихватами и обвалами снижают водоотдачу посредством химической обработки до 5-6 реже до 2-3 см³ за 30 мин; растворы, имеющие водоотдачу свыше 25 см³ за 30 мин, могут создавать осложнения при бурении в пористых породах.

Фильтрационная корка характеризуется толщиной и липкостью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении СПО к образованию пробок и затяжек бурового инструмента, прихватам. При нормальных условиях бурения толщина корки не должна превышать 2 мм.

Статическое напряжение сдвига характеризует прочность структуры глинистого раствора, образующейся за определен­ное время его пребывания в покое. Количественной мерой прочности структуры является то минимальное усилие, кото­рое придает раствору текучесть – оно называется статиче­ским (начальным) напряжением сдвига.

Статическое напряжение сдвига характеризуется наи­меньшим усилием, которое надо приложить к телу, находящемуся в бу­ровом растворе и имеющему площадь поверхности 1 см², чтобы выве­сти его из состояния покоя. Этот параметр зависит от времени нахож­дения раствора в спокойном состоянии и характеризует прочность его структуры.

Статическое напряжение сдвига СНС_1/10 (дПа)  характеризует способность глинистых растворов удерживать во взвешенном состоянии частицы породы. Так как связи между частицами глины в тиксотропном¹ растворе устанавливаются постепенно, то величина  зависит от времени стояния раствора в покое. Вначале  быстро растет, а затем медленно повышается до определенного предела.

Измеряется  в пластометрах: ротационных, капиллярных и с поступательным движением пластинки или цилиндра.

Наибольшее применение получили ротационные пластометры. Ротационный пластометр СНС-2 (рис.) состоит из цилиндра 1, подвешенного на упругой нити 4, и стакана 2. Обе цилиндрические детали должны быть соосны. Для этого перед измерением станину прибора с помощью установоч­ных винтов приводят в горизонтальное положение, о чем бу­дет свидетельствовать соосное расположение цилиндра 1 в стакане 2.

Затем поворотом конуса совмещается нуль лимба 3 с указателем, после чего конус фиксируется легким нажа­тием сверху. Во избежание скольжения испытуе­мого раствора поверхность подвешенного цилиндра сделана рифленой.

Вращение стакана 2 производится от электромотора с редуктором, помещенным в кожухе 6; частота вращения стакана составляет всего 0,2 об/мин. Для измерения напряжения служит упругая нить 4 диаметром 0,3-0,5 мм, на которой подвешены цилиндр 1 и градуированный лимб 3. К штативу прибора прикреплен указатель 5.

Глинистый раствор после перемешивания заливают в кольцевой зазор между деталями 1 и 2 до тех пор, пока уровень ее не совпадет с верх­ним основанием цилиндра, и оставляют в покое для образования структуры за 1 и 10 мин. Время фиксируется секундомером.

По истечении 1 мин включают электромотор, который приводит во вращение столик прибора и стакан с частотой 0,2 об/мин.

Соответствующие величины статического напряжения сдвига обозначают θ₁ и θ₁₀. Вращение стакана, через структуру раствора передается внутреннему цилиндру 1, который закручивает упругую нить 2. Частота вращения цилиндра вследствие практической де­формации раствора постепенно снижается. В момент, когда сопротивление нити закручиванию станет равным сопротив­лению трения между раствором и поверхностью цилиндра, структура разрушается, и цилиндр делает обратный поворот. Угол закручивания нити φ определяют по лимбу прибора с помощью указателя, закрепленного на штативе. Затем рас­твор в стакане вновь перемешивают и производят аналогич­ное измерение через 10 мин выдержки раствора в покое и определяют угол наибольшего поворота  цилиндра от его начального положения и вычисляют статическое напряжение сдвига по формуле:

,

где  - угол поворота цилиндра, градус;

 - коэффициент прибора при соответствующей упругости нити (коэффициент, равный напряжению сдвига при повороте нити на 1°), константа прибора), указанная в паспорте.

В других ротационных пластометрах наружный стакан неподвижен, а вращается внутренний цилиндр.

Статическое напряжение сдвига определяют дважды: через 1 и 10 мин. Статическое напряжение сдвига глинистых растворов составляет 2-3 Па.

Для удержания обломков выбуренной породы достаточной является величина СНС глинистых растворов θ₁=250-500 мН/см² и θ₁₀=75-150 мН/см².

Степень тиксотропии Т₀ раствора определяют по формуле:

,

где θ₁₀ и θ₁ – статическое напряжение сдвига, определенное прибором СНС-2 соответственно через 10 мин и 1 мин, мН/см².

Стабильность S₀ (г/см³) характеризует удерживающую способность раствора. Стабильность глинистого раствора определяется с помощью прибора ЦС-2 (рис.) и ареометра АБР-1.

Стабильность характе­ризуется разностью плотностей раствора в нижней и верхней частях цилиндра, отстоянного в течение 1 сут в приборе ЦС-2.

Раствор заливают в цилиндр 1 и оставляют на сутки в покое. Затем берут пробы раствора через краны 2 и 3 и измеряют плотность каждой пробы. Чем меньше разница плотностей, тем стабильнее раствор. У нормальных растворов эта разница не должна превышать 0,02 г/см³.

Суточный отстой О (%) характеризует способность раствора в течение длительного времени не расслаиваться на твердую и жидкую фазы. Нормальные глинистые растворы должны за сутки давать отстой не более 3-4%.

Суточный отстой измеряют с помощью стеклянного мерного цилиндра V=100 см³. Испытываемую жидкость осторожно наливают в мерный цилиндр, закрывают стеклом и оставляют на 24 часа, после чего визуально определяют величину слоя прозрачной воды, выделившейся в верхней части цилиндра. Отстой выражается в % выделившейся жидкости от объема пробы. Чем меньше суточный отстой, тем устойчивее, стабильнее буровой раствор.