- •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
Толщина диффузионного слоя с увеличением концентрации ионов и их заряда снижается в соответствии с уравнением
, (1.4)
снижается и поверхностный потенциал твёрдого тела.
Общая поверхностная плотность заряда равна сумме зарядов адсорбированного и диффузионного слоев:
q = q+ qx (1.5)
Заряд адсорбированного слоя ДЭС складывается из противоионов, адсорбированных как за счёт электрических, так и за счет ван-дер-ваальсовых сил.
Используя теорию ДЭС авторы теории вывели формулу для определения энергии отталкивания частиц друг от друга в области малых потенциалов:
(1.6)
где =1/ - удельная электропроводность; , - толщина диффузного слоя; h -расстояние между частицами.
При больших потенциалах последний перестаёт влиять на давление отталкивания. Это объясняется тем, что с ростом потенциала увеличивается притяжение противоионов ДЭС к поверхности, эффективный заряд которой поэтому почти не изменяется. Для этого случая выведена формула
U0 = 64CRT2exp( ) (1.7)
здесь - параметр Дебая; h - расстояние между частицами. Работами Е. Д. Щукина, В. И. Мартынова, В. М. Мюллера установлено, что расстояние не может быть более I нм.
Основываясь на теории межмолекулярного взаимодействия Бура и Гамакера авторы ДЛФО определили силу притяжения частиц:
(1.8)
здесь А1 - константа Гамакера, которая учитывает не только силу взаимодействия частиц твёрдой фазы, но и молекул среды с частицами твёрдой фазы.
Таким образом, при энергии отталкивания (энергии электростатических сил), превышающей энергию притяжения (энергию межмолекулярных сил), дисперсные системы устойчивы. При энергии отталкивания, меньшей энергии притяжения, происходит коагуляция (слипание) частиц твёрдой фазы.
Из приведённых выше формул видно, что на энергию притяжения и энергию отталкивания существенное влияние оказывает расстояние между частицами; при h0 энергия отталкивания U0 и энергия притяжения Ua будут стремиться:
U0const, Ua
Следовательно, на малых расстояниях преобладает притяжение и коагуляция частиц.
Для энергии отталкивания зависимость имеет экспоненциальный характер, а для энергии притяжения - степенной. Типовая результирующая имеет два минимума, разделенных максимумом. В области минимумов наблюдается притяжение и слипание частиц, в области максимума взаимное отталкивание частиц. Появляется потенциальный барьер для сближения частиц. Чем выше барьер, тем устойчивее система. При взаимодействии частиц в первом минимуме наблюдается полная коагуляция частиц, а во втором минимуме могут образовываться флоккулы и пространственные коагуляционные сетки.
При введении в раствор ионов электролитов происходит сжатие диффузного слоя, из-за чего частицы могут приблизиться друг к другу на расстояния, на которых преобладают силы притяжения.
Сжатие диффузного слоя ДЭС происходит как за счёт уменьшения потенциала частицы вследствие специфической адсорбции противоионов на поверхности частиц (нейтрализационная коагуляция), так и за счёт увеличения ионной силы раствора (конденсационная коагуляция).
Порог быстрой нейтрализационной коагуляции в области малых потенциалов определяется формулой
, (1.9)
в области больших потенциалов –
С = const / z6 (1.10)
где z - валентность ионов.
Эту теорию дополняют работы Щульца и Гарди о влиянии ионов электролитов. Влияние ионов на процесс коагуляции кратко можно изложить следующим образом.
1. Коагулирующей частью электролита является противоион (правило Щульца-Гарди).
2. Порог коагуляции Сх тем меньше, чем выше валентность коагулирующего иона (правило Шульца).
3. Коагуляция наступает в тот момент, когда заряд частицы становится равным нулю, т.е. в изоэлектрической точке (правило Гарди).
4. Коагулирующая способность противоионов возрастает пропорционально некоторой степени его заряда (правило Щульца-Гарди).
Позднее Б.В.Дерягин установил, что коагулирующая способность ионов (к=1/Ск) возрастает пропорционально его заряду в шестой степени. Отсюда следует, что значения к для одно-, двух- и трехзарядных противоионов относятся как 1:64:729.
Экспериментальные исследования по изучению характера контактов и силы контактного взаимодействия проводили известные исследователи Д.В. Дерягин, Г. Фукс, Е.Д. Щукин.
Модельные сферические частицы (размером – 0,2 мм) прижимались одна к другой под действием плавнорегулируемой нагрузки в течение некоторого времени, после чего измеряли удельную энергию отрыва (взаимодействия) частиц.
Таблица 1.1
Свободные энергии взаимодействия гидрофильных и гидрофобных частиц
из стекла в различных средах, эрг/см2
Поверхность частиц
|
Среда
|
||
Воздух
|
Вода
|
Гептан
|
|
Гидрофильная (обычное стекло)
|
40 |
0,01 |
~20 |
Гидрофобная (метилированное стекло)
|
22 |
40 |
0,01 |
В табл.1.1 показаны результаты исследований, полученных для стеклянных частиц в различных средах (воздухе, полярной и неполярной плоскостях).
На основании таблицы авторы делают следующие выводы:
1.Коагуляция гидрофильных частиц наблюдается в неполярной, жидкости, а гидрофобных в воде, что подтверждает теоретические рассуждения;
2.3атекание жидкости в зазор между частицами уменьшает их взаимодействие на величину свободной энергии смачивания;
3.При смачивании гептаном стеклянные частицы сохраняют ещё значительную энергию взаимодействия частиц и коагулируют;
4.При смачивании гидрофобных частиц из метилированного стекла гептаном в результате энергии смачивания полностью устраняется их взаимодействие (коагуляция);
5.Водой гидрофобные частицы не смачиваются, они оттекают из зоны контакта, возникает капиллярная сила стягивания, сила взаимодействия частиц возрастает до 40 эрг/см2. Система коагулирует.