6. Деструктурирование промывочных жидкостей

Деструктурирование - это процесс обратный структурированию. Как было рассмотрено выше, структурирование промывочной жидкости производят следующими методами:

путем повышения концентрации гидрофильной твердой фаза;

путем конденсации твердой фазы;

путем, поликонденсации и полимеризации;

путем диспергирования и самодиспергирования твердой фазы;

путем активации твердой фазы;

путем активации дисперсионной среды;

путем дезактивации твердой фазы;

путем введения гидрофобных ПАВ и полимеров.

В процессе бурения глинистых пород вследствие их диспергирования буровой раствор насыщается глинистыми частицами, прочность структуры резко возрастает, что снижает качество раствора и понижает производительность бурения. Загущение раствора возможно также и при бурении соленосных горных пород в результате его структурирования электролитами.

С целью снижения прочности структуры и вязкости промывочной жидкости ее деструктурируют, т.е. подвергают специальной обработке. Такое деструктурирование назовем искусственным деструктурированием.

Деструктурирование промывочной жидкости может происходить и в результате воздействия на промывочную жидкость естественных факторов: влияния агрессивных пластовых вод. изменения температуры в скважине, влияния скорости и времени циркуляции промывочной жидкости и т.д. Такое деструктурирование назовем самопроизвольным деструктурированием.

Искусственное деструктурирование производят методами - "наоборот":

путем снижения концентрации твердой фазы (разбавления раствора водой или путем удаления частиц твердой фазы флокулянтами);

путем активации гидрофобной твердой фазы;

путем агрегации твердой фазы;

путем выведения из раствора катионов и анионов.

Самопроизвольное структурирование происходит:

путем деструкции полимеров при повышении температуры в скважине;

путем самоагрегации твердой фазы в процессе циркуляции промывочной жидкости

путем коагуляции бурового раствора под воздействием электролитов пластовых вод.

6.1. Искусственное деструктурирование (разжижение) промывочных жидкостей путем снижения концентрации твердой фазы

Снижение концентрации твердой фаза производят путем разбавления раствора и путем удаления части твердой фазы.

Деструктурирование буровых растворов путем разбавления его водой в практике применяется довольно широко, но имеет существенный недостаток - понижается качество раствора. Поэтому использовать его следует весьма осторожно после тщательного анализа свойств перебуриваемых горных пород и получаемых при разбавлении свойств промывочных жидкостей.

Более перспективным является метод деструктурирования путем удаления части твердой фазы. Он позволяет уменьшить плотность бурового раствора и устранить наименее активную часть твердой фазы (в первую очередь шлама).

Удаление твердой фазы из раствора проводят флокулнтами за счет их прямой (осаждение) или обратной (всплытие) седиментации. Рассмотрим условия седиментации. На каждую, частицу твердой фазы в дисперсной системе будут действовать две силы—гравитационная

, (6.1)

и архимедова сила выталкивания

, (6.2)

где m - масса частицы твердой фазы;  - плотность частицы; V - объем частицы; ₀ - плотность раствора.

Если  >₀ , наблюдается прямая седиментация частиц, а при <₀ – их всплытие. В том и другом случае частица начнет перемещаться.

При движении частицы возникает гидравлическое трение частиц, которое зависит от площади, взаимодействующей с молекулами воды, ее гидрофильности и скорости движения:

, (6.3)

где  - вязкость раствора; - коэффициент, определяющий гидрофильность частиц; V— скорость движения частиц; d - расстояние до стенок сосуда; S - площадь поверхности частиц.

И, наконец, при опускании (или всплытии) частиц возникает разность концентрации твердых частиц в растворе в верхней и нижней его части, что вызовет диффузные силы

, (6.4)

где q₁ и q₂ -заряды частиц и молекул воды; r - раccтояние между ними; ₀ - электрическая проницаемость раствора;  - электрическая постоянная.

Диффундирование частиц твердой фазы происходит вследствие притяжения молекулами-диполями воды заряженных дисперсных частиц (гидратации частиц). В результате взаимодействия молекул вода с частицами твердой фазы вокруг каждой частицы образуется слой воды. при таком взаимодействии частицы втягиваются в раствор, что ведет к их равномерному распределению в объеме.

Диффузные силы весьма слабы и при седиментации обычно их не учитывают; учитывают при седиментации только гравитационные силы F_g-F_a и силы гидравлического сопротивления F_rc , состоящие из двух сил: сил трения и сил лобового сопротивления:

, (6.5)

тогда

, (6.6)

При малой скорости движения и малых размерах частиц лобовое сопротивление жидкости ничтожно мало ( ), тогда

, (6.7)

откуда скорость седиментации

, (6.8)

т.е. скорость седиментации твёрдой фазы определяется вязкостью раствора (), плотностью (), дисперсностью (Д) и активностью (гидрофильностью) ее частиц ().

Удаление избыточного количества твёрдой фазы из раствора осуществляют путём её селективной флокуляции. Суть процесса флокуляции состоит в гидрофобизации частиц полимерами с последующим их слипанием.

Рис.6.1. Микроснимок дисперсий пегматита: а – в растворе метаса; б – в растворе ГПАА (Χ 500)

В разделе 4. было показано, что с увеличением концентрации некоторых полимеров, таких как метас, на частицах твёрдой фазы сначала адсорбируется слой полимера, активизирующий твёрдую фазу, затем при определённой концентрации полимера адсорбируется второй слой. гидрофобизирующий её.

В результате гидрофобизации частиц прочность связей молекул воды с ними понижается и некоторые крупные частицы сразу же седиментируют, а другие под воздействием межмолекулярных сил при сближении частиц слипаются в агрегаты (флоккулируют); и также седиментируют (рис.6.1.а) При этом значений Д,  и  понижаются, а  растет.

Предполагается что некоторые активные полимеры (например ГПАА) способны склеивать частицы в агрегаты в результате взаимодействия их молекул с различными твёрдыми частицами и между собой (рис.6.1.б).

Тонкодисперсные частицы размером 7 мкм и меньше по исследованиям учёных [17] не флоккулируют и не выпадает в осадок. Так, бентонит из его 4%-го раствора не выделяется в осадок даже в центрифугах при ускорении до 12000 м/с², а из раствора, стабилизированного метасом свыше 20000 м/с². Не выделяются при центрифугировании из раствора и полимеры.

Следует отметить, что максимальная гидрофобизация частиц грубодисперсной фазы наблюдается в том случае, когда концентрация флокулянта превышает концентрацию насыщения им тонкодисперсной глинистой фракции в два слоя (слоев активации и дезактивации).

Так, по данным исследователей [17] количество связанного бентонитом метаса составляет 0,0125 - 0,025 % на 1 % глины.

При экспериментальных исследованиях очистки 4%-го бентонитового раствора, зашламлённого выбуренной породой (диабаз), на гидроциклоне авторы получили наибольший эффект при обработке бурового раствора 0,2 % метаса т.е. в 2 раза больше концентрации насыщения. В целом рекомендуется на 1 % бентонита метаса добавлять 0,02 – 0,05 %.