- •Назначение и свойства промывочной жидкости для бурения осложненных зон.
- •Часть 1. Теоретические основы структурирования промывочных жидкостей
- •Структура промывочных жидкостей
- •Гидрофобные (коагуляционные) структуры
- •Толщина диффузионного слоя с увеличением концентрации ионов и их заряда снижается в соответствии с уравнением
- •Гидрофильные структуры
- •1.2.1 Структура воды
- •1.2.2 Поверхностная энергия твердых тел.
- •Поверхностные натяжения твердых тел
- •1.2.3. Взаимодействие воды с поверхностью твердых тел.
- •2. Структура глинистого раствора.
- •2.1 Структурообразователи
- •2.2 Механизм гидрофильного структурообразования глинистых растворов
- •2.3. Объёмная электрическая энергия промывочной жидкости
- •Среднее значение
- •2.4. Приборы для определения прочности структуры промывочных жидкостей
- •3. Структурирование глинистых растворов
- •3.1. Способы структурирования
- •3.2. Структурирование промывочной жидкости за счет повышения концентрации дисперсной фазы
- •3.3. Структурирование буровых растворов путем диспергирования твердой фазы
- •Влияние числа импульсов генератора на свойства растворов
- •3.4. Влияние температуры на прочность структуры глинистых растворов
- •4. Роль электролитов в структурировании промывочных жидкостей.
- •4.1. Общие сведения об электролитах, применяемых при бурении скважин.
- •Зависимость рН растворов солей от их концентрации
- •Теплота растворения электролитов
- •4.2. Электролиты в роли структурообразователя
- •4.3. Активация твердой фазы электролитами.
- •4.4. Дезактивация дисперсной фазы электролитами
- •5. Роль полимеров в структурировании промывочных жидкостей.
- •5.1. Полимеры – структурообразователи.
- •5.1.2. Синтетические структурообразователи
- •5.2. Активность полимеров
- •Расчетные значения энергии поляризации
- •5.3. Другие функции полимеров.
- •5.4. Активация полимеров.
- •5.5. Активация дисперсионной среды полимерных растворов.
- •5.6. Активация твердой фазы полимерами
- •5.7. Дезактивация дисперсной фазы гидрофобными веществами (пав, полимерами, маслами)
- •5.8 Стабильность (седиментационная и агрегативная устойчивость) раствора.
- •5.9 Стабилизация буровых растворов полимерами.
- •Устойчивость реагентов к агрессии солей
- •6. Деструктурирование промывочных жидкостей
- •6.1. Искусственное деструктурирование (разжижение) промывочных жидкостей путем снижения концентрации твердой фазы
- •6.2. Деструктурирование промывочных жидкостей путём активации твёрдой фазы. Понизители вязкости.
- •6.3. Деструктурирование минерализованных промывочных жидкостей
- •7. Структурная вязкость и коэффициент трения промывочных жидкостей
- •7.1.Вязкость ньютоновских жидкостей
- •Силу трения можно выразить формулой
- •Тогда касательное напряжение составит
- •Коэффициент кинематической вязкости будет
- •7.2. Вязкость структурированных жидкостей
- •7.2.1. Анализ существующих теорий
- •7.2.2. Влияние скорости течения, диаметра труб и концентрации твердой фазы на вязкость и коэффициент трения структурированных жидкостей
- •Влияние вязкости полимерного раствора и скорости
- •Зависимость показания раствора от концентрации кельцана
- •7.2.3. Влияние активации и дезактивации твёрдой фазы на коэффициент трения (вязкость) структурированных жидкостей.
- •7.3. Деструктурирование промывочных жидкостей при циркуляции.
- •7.3.1. Влияние длительности циркуляции структурированной жидкости на её вязкость
- •7.3.2. Влияние температуры на вязкость промывочных жидкостей.
- •7.4. Определение вязкости (касательных напряжений) промывочных жидкостей.
- •Значения вязкости различных буровых растворов
- •7.5. Влияние прочности структуры и вязкости промывочных жидкостей на процесс бурения
- •7.6. Тиксотропия промывочных жидкостей
- •Выводы:
- •7.7.Плотность промывочной жидкости.
- •Плотность аэрированной жидкости определяется по формуле
- •Часть II. Стабилизация неустойчивых стенок скважин. Задачами второй части исследований являются:
- •8.Общие сведения о структуре горных пород.
- •8.1 Химические связи в минералах
- •8.2. Межмолекулярные связи в горных породах.
- •8.3 Поверхностная энергия горных пород.
- •8.4 Устойчивость горных пород стенок скважин.
- •9. Промывочные жидкости для бурения уплотненных глин.
- •9.1. Уплотненные глины
- •Значения коэффициента для различной плотности глины
- •9.2. Осложнения при бурении уплотненных глин.
- •9.2.1. Механизм увлажнения и набухания глин.
- •9.2.2. Фильтрация воды в горные породы.
- •9.2.3. Разупрочнение уплотненных глин.
- •9.2.4. Диспергирование и размывание глин.
- •9.2.5. Влияние гидравлического давления на увлажнение глины.
- •9.2.6. Влияние горного давления на увлажнение глины.
- •9.3. Промывочные жидкости, применяемые для профилактики осложнений в уплотненных глинах
- •9.4. Основные направления выбора промывочной жидкости для бурения глинистых пород
- •9.5. Анализ эффективности применяющихся глинистых растворов для бурения уплотненных глин.
- •9.6. Анализ эффективности полимерных и полимерглинистых растворов.
- •9.7. Анализ эффективности ингибирующих растворов
- •10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин
- •10.1. Глинистые неуплотненные породы. Осложнения при их бурении.
- •10.2. Анализ влияния электролитов на увлажнение и прочность неуплотненной глины.
- •Зависимость пластической прочности образца глины от влажности к2
- •10.3. Влияние полимеров и полимерсолевых растворов на увлажнение и прочность неуплотненных глин.
- •10.4. Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин (общие понятия).
- •10.5. Исследование крепящих свойств полимерполисолевых растворов.
- •10.5.1. Теоретические рассуждения.
- •10.5.2. Экспериментальные исследования.
- •11. Промывочные жидкости для бурения микротрещиноватых глинистых пород.
- •11.1. Микротрещиноватые глинистые породы. Осложнения при бурении
- •11.2. Влияние технологических параметров бурения на раскрытие трещин
- •11.3. Влияние гидродинамического давления на раскрытие трещин
- •11.4. Промывочные жидкости. Механизм их действия. Анализ эффективности.
- •12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород.
- •12.1. Трещиноватые горные породы
- •12.2. Поглощение промывочной жидкости в трещиноватых породах
- •12.3. Мероприятия по предупреждению поглощения промывочных жидкостей
- •12.4. Анализ эффективности различных наполнителей для кольматации трещин
- •Закупоривающая способность глинистых паст
- •Определение закупоривающей способности вол
- •Закупоривающая способность вус
- •Зависимость объема тампонажной смеси от состава ее компонентов
- •12.5. Применение пен при бурении трещиноватых пород
- •13. Промывочные жидкости для бурения соленосных отложений
- •13.1. Осложнения при бурении соленосных отложений
- •13.2. Растворение хемогенных горных пород Растворение горных пород в промывочной жидкости характерно для галлоидов и сульфатов, в меньшей степени карбонатов.
- •Измерение массы и длины образцов соли при растворении в воде
- •13.3. Размывание хемогенных пород
- •Зависимость скорости и константы растворения соли от скорости потока
- •13.4. Анализ влияния различных компонентов промывочной жидкости на растворяющую способность раствора
- •Скорость растворения галита в перемешиваемом растворе, м/с10-7 (емкость 10л)
- •Из анализа результатов следует:
- •13.5. Промывочные жидкости, применяемые для бурения соленосных отложений
- •Промывочные жидкости, применяемые в России при бурении соленосных отложений
- •Продолжение таблицы 13.7
- •13.6. Анализ качества применяющихся промывочных жидкостей для бурения соленосных отложений
- •Скорость растворения галита в циркулирующих растворах
- •13.7. Силикатные растворы
- •Состав и свойства сульфатосиликатных и карбонатосиликатных растворов
- •13.8. Лигниноглинистые растворы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •3. Структурирование глинистых растворов 42
- •4. Роль электролитов в структурировании промывочных жидкостей. 55
- •5. Роль полимеров в структурировании промывочных жидкостей. 78
- •6. Деструктурирование промывочных жидкостей 116
- •7. Структурная вязкость и коэффициент трения промывочных жидкостей 131
- •9. Промывочные жидкости для бурения 188
- •10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин 222
- •11. Промывочные жидкости для бурения микротрещиноватых глинистых пород. 264
- •12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород. 279
- •13. Промывочные жидкости для бурения соленосных отложений 304
5. Роль полимеров в структурировании промывочных жидкостей.
Полимерами называют соединения, молекулы которых состоят из большого числа атомных группировок (звеньев), соединенных химическими связями в длинные цепи.
Число звеньев в цепях называют степенью полимеризации. Величина степени полимеризации для различных полимеров варьирует в широких пределах от нескольких десятков до 10000 и более. Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами. Высокомолекулярные полимеры могут иметь молекулярный вес порядка 104 – 106.
Полимеры могут быть построены как из симметрично так и асимметрично расположенных атомов. У полимеров с симметрично расположенными атомами дипольный момент равен нулю, поэтому они неполярны.
В связях –ОН, - СООН, NH2 и др. электронная плотность распределена несимитрично, поэтому в таких связях появляется дипольный момент и связи становятся полярными.
Для приготовления промывочных жидкостей применяют обычно полимеры с полярными функциональными группами, способными активно взаимодействовать с полярными молекулами воды. Такие полимеры получают путем химической обработки природных полимеров (крахмал, целлюлоза) или в результате синтеза мономеров акриловой кислоты.
5.1. Полимеры – структурообразователи.
Для приготовления промывочных жидкостей применяют полимеры (биополимеры) с небольшими добавками бентонита или без него. Полимеры применяют для снижения содержания твердой (глинистой) фазы в растворе. Низкое содержание глинистой фазы способствует повышению механической скорости и производительности бурения, сохранению номинального диаметра скважин, уменьшению гидравлических сопротивлений при их промывке, снижению материалоемкости буровых растворов.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом накоплен, большой опыт применения этих систем [12]. Разработан целый ряд различных полимеров (полисахаридов, эфиров целлюлозы, полиакрилатов) (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Полимеры, применяемые для приготовления промывочных жидкостей
Продолжение таблицы 6.1
5.1.1. Природные структурообразователи.
К природным структурообразователям относят полимеры- полисахариды - составные части древесины и их производные.
Древесина состоит из целлюлозы, лигнина и других полисахаридов, которые объединяются под общим названием "гемицеллюлозы". Кроме того, в древесине содержится жир, смола и т.д.
Примерный состав древесины показан в таблице.
Состав древесины
Состав |
Ель, % |
Береза, % |
Целлюлоза |
57,8 |
45,3 |
Лигнин |
28,3 |
19,5 |
Гемицеллюлозы |
15,5 |
29,4 |
Смола, воск, жир и др. |
5,2 |
5,8 |
Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространённый в природе полисахарид, главная составная часть растений. '
Почти чистой ( 90%) целлюлозой является хлопковое волокно (вата).
Химическая формула целлюлозы [C6H7O2(ОН)3]х, где х - степень полимеризации, х = 6006000. Её структурная формула:
Средний молекулярный вес 1000001000000.Нерастворима в воде и в органических растворителях. Растворяется в водных растворах солей поливалентных металлов (Сu, Со , Cd ).Гидролиз целлюлозы кислотами приводит в образованию глюкозы и её производных.
В волокнах молекулы целлюлозы связываются водородными связями,; поэтому волокна обладают высокой прочностью.
Длина волокон до 40-50 мм, плотность 1,52-1,54 г/см3.
Получают целлюлозу путём разрушения, растворения древесины и выделения из неё нецеллюлозных компонентов (лигнина) при сульфидной (в растворе NaOH и Na2S) .сульфатной (в растворе гидросульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащем свободную SO2 )или щелочной (в растворе NaOH) варке. В результате варки (перколяции) древесины происходят глубокие изменения в её структуре. При 50°С размягчаются гемицеллюлозы, при 100°С лигнин переходит в вязкотекучее состояние и удаляется из аппарата. Под воздействием горячих растворов кислоты наблюдается каолесценция глобул лигнина и образование новых углерод-углеродных связей, в том числе и сопряжённых, что усложняет и уплотняет структуру лигнина.
В промышленности целлюлозу используют для производства химических волокон (вискозного, ацетатного), пластмасс, целлофановой пленки, бумаги, пороха, лаков и др. В последнее время отходы химволокна применяют для приготовления промывочных жидкостей.
Вискозное волокно представляет собой чистую целлюлозу, получаемую в результате взаимодействия мерсеризованной щёлочью древесной или хлопковой целлюлозы с сероуглеродом и последующего высаживания полученного ксантогената целлюлозы серной кислотой:
[С6Н7О2(ОН)2ОNa]n+nCS2[С6Н7О2(ОН)2] + Н2О
[С6Н7О2(ОН)2]n + nH2SO4nCS+[С6Н7О2(ОН)3]n
Как и целлюлоза, вискозное волокно под действием концентрированных и разбавленных кислот при повышенной температуре или длительном их действии деструктируется. В разбавленных растворах щелочей волокно набухает, а в их концентрированных растворах (особенно медноаммиачных) растворяется. Стойко к действию органических растворителей.
В результате дробления и нагревания древесины, воздействия на неё кислоты степень полимеризации цепи целлюлозы вискозного волокна понижается до СП=300-600.
Ацетатное волокно представляет собой ацетилцеллюлозу (ацетат целлюлозы), полученную в результате взаимодействия древесной (хлопковой) целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии катализатора (Н2SO4 или HCl) и растворителя (уксусная кислота или метиленхлорид) с последующим высаживанием 10%-й уксусной кислотой:
[С6Н7О2(ОН)3]n+x(CH3CO)2O[C6H7O2(OH)3-x·(OCOCH3)x+xCH3COOH]
где х=2 или 3.
Средняя степень полимеризации макроцепи триацетатного волокна СП=250-1150. В воде слабо набухает, хорошо растворяется в метиленхлориде, диметилформальдегиде. Диацетатные волокна растворяются в ацетоне, его смеси со спиртом.
В разбавленных растворах кислот и щелочей подвергаются деструкции.
В природе целлюлоза образуется в результате поликонденсации. Поликонденсация (конденсация полимеров) это процесс соединения мономеров (микромолекул) в макромолекулы полимеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (воды, соляной кислоты и др.).
Так, при поликонденсации моносахаридов в природе образуются полисахариды, в результате поликонденсации Д-глюкозы, получают
целлюлозу:
Для реакции поликонденсации часто применяют ароматические соединения.
Реакция поликонденсации обратима, т.е. одновременно протекают два процесса: образование продуктов конденсации и их деструкция. Деструкция может протекать под воздействием функциональных групп исходных мономеров, а также в результате взаимодействия продукта конденсации с низкомолекулярными побочными продуктами реакции ( Н2О; НСl ).
Вследствие обратимости процесса поликонденсации при благоприятных условиях устанавливается равновесие которому соответствует образование полимерного продукта с определенным молекулярным весом. Для получения полимеров высокого молекулярного веса необходимо применять строго эквивалентные соотношения исходных веществ и своевременно удалять из системы низкомолекулярные продукты.
В процессе промывки скважин полимерными растворами в результате изменения (повышения) температуры (и наличии большого количества низкомолекулярных веществ - воды) такое равновесие нарушается, и полимеры подвергаются деструкции, свойства промывочных жидкостей ухудшаются.
Для восстановления свойств раствора используют активные поливалентные электролиты - комплексообразователи, способные связывать деструктированные участки полимеров или служить инициатором полимеризации.
Наиболее активными инициаторами и комплексообразователями являются соли хрома (СrСl3) или соли хромовых кислот (хроматы, бихроматы).
Комплексообразование (связывание деструктированных частей макромолекул) происходит обычно при малой концентрации (рис.5.5) комплексообразователя и повышенной температуре раствора в щелочной среде [I7]. При нагреваний раствора гидратный слой вокруг ионов хрома устраняется и ионы хрома с помощью водородных связей гидроксильной группы ОН- и карбоксильной группы СООН связывают элементы макромолекул:
При структурировании полимеров хромовыми комплексами резко повышается их водоотдача (рис.5.6).
При увеличении концентрации CrCl2 происходит сшивание полимеров, в результате чего снижается вязкость и водоотдача раствора.
Целлюлоза и вискозное волокно в воде не растворяются вследствие достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекул, которое осуществляется многочисленными водородными связями. Для возможности их растворения необходимо либо часть гидроксильных групп заменить более гидрофильными группами, обладающими способностью взаимодействовать с молекулами воды более активно, чем между макромолекулами, либо нейтрализовать часть гидроксильных групп и этим уменьшить взаимодействие между макромолекулами.
По первому варианту получают карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), по второму - метилцеллюлозу (ММЦ).
Карбоксиметилцеллюлозу [С6H7O2(OH)3-x(OCH2COONa)x] получают путём взаимодействия щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой. В отличие от целлюлозы и химических волокон КМЦ хорошо растворяется в воде благодаря привитию к цепи целлюлозы гидрофильных функциональных групп COONa. B органических растворителях и минеральных маслах не
растворяется. В водных растворах подвергается термоокислительной деструкции.
Количество привитых функциональных групп (степень замещения СЗ в применяемых в буровой практике КМЦ составляет обычно 80–85% от числа гидроксильных групп).
Метилцеллюлоза [С6Н7О2(ОН)3–х(ОСН2)х]n имеет молекулярную массу 13–140 тыс., плотность 1,3 г/см3, растворяется в воде и органических растворителях, в горячей воде (свыше 50оС) выпадает в виде геля. Число привитых метаксильных гидрофобных групп составляет 26–33%.
Растворы метилцеллюлозы менее гидрофильны, чем КМЦ, но более устойчивы к агрессивным солям хлористого кальция и магния (до 10–15%).