- •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
5.9 Стабилизация буровых растворов полимерами.
Полимеры широко применяют не только для активации, дезактивации твердой фазы и структурообразования, но и для стабилизации буровых растворов, т.е. для предохранения их от коагуляции и седиментации под воздействием электролитов. Полимеры в этом случае служат для изоляции твердой фазы от "сшивающего" действия катионов и предохранения от сближения частиц твердой фазы на расстояния интенсивного действия молекулярных сил.
Изоляцию твердой фазы частиц производят солестойкими полимерами. Солестойкость полимеров к коагуляции в первую очередь определяется способностью ее функциональных групп взаимодействовать о ионами электролитов.
Функциональная группа. -О-. Большая часть горных пород, в том числе и глины являются кислородными соединениями. На поверхности зерен в местах разрыва кристаллической решетки атомы кислорода имеют нескомпенсированный заряд. Да и связанные атомы кислорода (например, 8Юз, А12Оз и т.д.). вследствие их высокой электроотрицательности, обладают высокими полярными зарядами. В природных условиях заряд поверхности зерен компенсируется обменными ионами,
Благодаря высокой электроотрицательности многие кислородсодержащие породы используют в качестве катионитов. Под воздействием этих зарядов глинистые частицы оказываются гидрофильными и хорошо гидратируются в воде.
Оксигруппа -ОН -. Эта группа характерна как для глинистых частиц (например, каолинита), так и неиногенных ПАВ, таких как спирт, фенолы, алкилфенолы, целлюлоза и естественные биополимеры-полисахариды:
крахмал, лигнин, целлюлоза, гуаровая смола, ксантановая смола и др.
Оксигруппы достаточно прочно связаны с углеводородными радикалами (ПАВ), цепями (полимеры) и кремнекислородными листами (глинистые частица). Они могут обладать в зависимости от взаимодействующего иона либо кислотными, либо основными свойствами.
Оксигруппы гидрофильны и малоактивны (ГЛБ = 1,9), но вследствие большого их количества они способна образовывать водородные .связи между цепями полимеров. Поэтому с увеличением ОН- (рН среды) вязкость раствора растет вплоть до сцепления макромолекул в агрегаты (коагуляции). Поэтому количество оксигрупп частиц твердой фазы должно быть ограниченным.
В связи с достаточно высокой прочностью связей оксигруппы с цепями и радикалами она не образует химических связей в растворе даже с поливалентными - ионами металлов.
Химическое взаимодействие оксигруппы с металлами с образованием солей (например, алкоголя) возможно только при наличии катализаторов.
Вследствие этого между частицами твердой фазы с группой ОН- и ионами электролитов возможны лишь полярные связи. С одновалентными ионами электролитов частицы образуют слабые связи вплоть до полного насыщения раствора солью. Устойчивы такие частицы и к коагулирующему действию поливалентных ионов (в определенных пределах, см. табл. 5.3,).
Устойчивы к солевой и кальциевой агрессии полимеры с полярными заместителями типа –ОСН3. Например, ММЦ (модифицированная метилцеллюлоза), не коагулирует при полном насыщении раствора солью NaCl и устойчива в растворе с высокой концентрацией солей CaCl2 (до 15 %).
К а р б о к с и л ь н а я г р у п п а -СООН и ее з а м е с т и т е л и. Карбоксильная группа входит в состав карбоновых кислот. Она обладает слабокислотными (константа диссоциации 2·10-5 и менее) и очень слабыми основными свойствами. По строению аналогична угольной кислоте (с константой диссоциации 4,5·10-7) и представлена карбонильной – С =О - и гидроксильной –ОН- группами:
Под влиянием сильноотрицательного атома кислорода карбонильной группы связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе значительно слабее, чем в спиртах, поэтому она обладает более сильными кислотными свойствами. С ионами поливалентных металлов водород карбоксильной группы замещается в нейтральной среде без подогревания. Также как и угольная кислота, органические кислоты (c карбоксильной группой - СООН), с ионами Са образуют нерастворимые соли, выпадающие в осадок (агрегатирвание).
Аналогичным образом ведут себя по отношению к поливалентным металлам соли-заместители и другие соли одновалентных металлов.
Из табл. 5.3 видно, что полимеры о карбоксильной группой устойчивы к солевой агрессии (вплоть до полного насыщения), но не устойчивы к кальциевой агрессии. Уже при концентрации Са свыше 0,1-0,2 % эти полимеры коагулируют и выпадают в осадок.
Полимеры с короткими цепями (с более подвижными макромолекулами) и активными функционалънами группами -СООNa (ГЛБ=21,1) типа КМЦ-250, КМЦ-350 могут образовывать достаточно сильные полярные связи со слабогидратированиыми одновалентными ионами. Слабая гидратация ионов возможна в концентрированных растворах солей. При концентрации в растворе поваренной соли NaCl более 10-15% такие полимеры способны к коагуляции.
Высоковязкие более жесткие полимера с длинными макромолекулами КМЦ-500, КМЦ-600, КМЦ-700 устойчивы к солевой •агрессии даже при полном насыщении раствора солыо NaCl.
А м и д н а я г р у п п а—СОNН2 по строению аналогична карбоксильной группе:
Азот так же как и кислород, обладает высокой электроотрицательностью, образует прочные связи с водородом. Под влиянием кислорода карбонильной группы связь водорода с азотом ослабляется и амидная группа приобретает слабокислотные свойства.
Вследствие достаточно прочных связей водорода с кислородом замещение его одновалентными металлами невозможно. Из-за довольно высокой активности функциональной группы (подобно аналогичной группе СООН) с одновалентными ионами эти полимеры могут образовывать только слабые полярные связи и поэтому они устойчивы к солевой агрессии даже при полном насыщении раствора солью NаCl ( табл. 5.3).
Гидролизованные акриловые полимеры с гибкими макромолекулами и активными функциональными группами (гипан, ГПАА) так же, как и КМЦ с короткими макромолекулами, способны образовывать сильные полярные связи со слабогидратированными ионами. При концентрации в растворе поваренной соли более 10-15 % гидролизованные акриловые полимеры также могут коагулировать.
Н и т р и л ь н а я г р у п п а –СN. Азот прочно связан с углеродом. Группа обладает слабоосновными свойствами, вследствие высокой электроотрицательности азота группа весьма полярна.
Но из-за незначительного количества групп в применяемых для приготовления буровых растворов полимерах (в гипане их не более 10 %} существенной роли на коагуляцию они не оказывают.
С у л ь ф о г р у п п а –SO3H имеет структуру подобно cерной кислоте:
Благодаря наличию двух атомов сильно электроотрицательного кислорода сулъфонильной группы водород гидроксильной группы связан весьма слабо, поэтому группа обладает сильными кислотными и весьма слабыми основными свойствами.
Соли с сульфогруппой хорошо растворимы в воде. В результате высокой гидрофильности сульфогруппы, вокруг нее образуется довольно плотный диэлектрический слой воды, что резко снижает взаимодействие функциональных групп с ионами электролитов, поэтому полимеры-сульфокислоты устойчивы к солевой и кальциевой агрессии.
Ниже приводится таблица устойчивости различных полимеров, применяемых в России для обработки буровых растворов[47].
Таблица 5.3