реологические параметры бурового раствора

Нефть, Газ и Энергетика

Блог о добычи нефти и газа, разработка и переработка и подготовка нефти и газа, тексты, статьи и литература, все посвящено углеводородам

Реологические свойства бурового раствора

Наиболее широко используемые в настоящее время буровые растворы представляют собой жидкости, содержащие дисперсную фазу. Как и обычные жидкости, они обладают подвижностью, т.е. способностью течь.

При этом первоначальное расположение частиц жидкости изменяется, происходит деформация. Наука о деформации и течении тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими.

Они характеризуются определенными величинами, не зависящими от условий их измерения и конструкции измерительных приборов. Такие величины называют реологическими константами.

Реологические свойства буровых растворов оказывают превалирующее влияние:

Изучение реологических свойств дисперсных систем основано на выявлении закономерностей связи между силами (напряжениями), вызывающими течение жидкости, и получаемыми при этом скоростями течения (деформациями).

Перечень основных и производных от них показателей, характеризующих реологические свойства буровых растворов, определяется выбором реологической модели.

С помощью величин реологических характеристик можно определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем, что очень важно для оценки качества промывочных жидкостей и выбора методов регулирования их свойств.

Стандартные полевые измерения вязкости бурового глинистого раствора проводятся с помощью вискозиметра буровых растворов ВБР-1 или воронкой Марша.

Вискозиметр ВБР-1, служащий для измерения условной вязкости, состоит из воронки, герметично соединенной трубки, сетки и мерной кружки.

Порядок определения. Взяв в руку воронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее отверстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуемую жидкость до верхней кромки вискозиметра.

Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и одновременно левой рукой включают секундомер. Воронку необходимо держать вертикально (допускается отклонение не более 100). Когда мерная кружка наполнится до края, останавливают секундомер, а отверстие воронки вновь закрывают пробкой.

За исходный результат принимают среднее значение результатов трех измерений, отличающиеся между собой не более чем на 2 с.

Источник

Реологические параметры бурового раствора

Буровые растворы запись закреплена

Реологические свойства растворов при низких скоростях сдвига и внсс
Развитие технологий направленного бурения, бурения с большим отходом забоя от вертикали и горизонтального бурения, а также использование биополимеров в составе буровых растворов существенно изменили представление о реологических параметрах растворов, необходимых для качественной очистки искривленного ствола скважины. В ходе проведения многочисленных лабораторных исследований и промысловых опытов было обнаружено, что показания вискозиметра Фанна при 3 и 6 об/мин имеют лучшую корреляцию с оценками качества очистки ствола скважины, чем значения динамического напряжения сдвига растворов. Кроме того, по результатам этих измерений можно оценивать способность растворов удерживать барит в динамических и статических условиях. Об этом подробнее рассказывается в главах, посвященных осаждению барита и очистке скважины от шлама. В дополнение к вышесказанному было обнаружено, что ВНСС, создаваемая сетью полимеров в системах с ксантановой смолой, способствуют значительному повышению качества очистки горизонтальных и наклонных участков ствола скважин и удержанию твердой фазы во взвешенном состоянии. ВНСС измеряется с помощью вискозиметра Брукфильда при скорости сдвига 0,3 об/мин (эквивалент 0,037 об/мин на ротационном вискозиметре).

Рис. 2 демонстрирует тот факт,что растворы, имеющие практически одинаковые вязкости при 3 и 6 об/мин ротора вискозиметра Фанна, могут очень сильно различаться по значениям ВНСС. Эти реологические значения при низком сдвиге заполняют пробел между традиционными динамическими измерениями пластической вязкости и ДНС и статическими измерениями СНС.

Тиксотропия и статическое напряжение сдвига
Тиксотропия — это свойство некоторых жидкостей образовывать внутреннюю трехмерную структуру в статических условиях,которая разрушается при сдвиге. Большинство буровых растворов на водной основе проявляют тиксотропные свойства благодаря присутствию электрически заряженных твердых частиц или полимеров, способных образовывать внутреннюю структуру. Значения статического напряжения сдвига, измеренные после 10 секунд и 10 минут выдержки раствора в покое,а в критических ситуациях после 30 мин, с помощью вискозиметра Фанна отражают степень тиксотропности раствора. Величина статического напряжения сдвига зависит от содержания и типа твёрдой фазы бурового раствора, времени выдержки раствора в покое, его температуры и химической обработки. Иными словами,все, что способствует или препятствует сближению и флокуляции частиц, будет усиливать или ослаблять тенденцию к структурообразованию.Скорость образования и прочность внутренней структуры бурового раствора важны для удержания в растворе выбуренной породы и материала-утяжелителя. Требования к значениям статического напряжения сдвига исходят именно из удовлетворения данной способности бурового раствора. При этом избыточная прочность структуры раствора (т. е. выше необходимой для обеспечения удержания шлама и материала утяжелителя) недопустима. Избыточно высокое статическое напряжение сдвига бурового раствора является причиной следующих осложнений:

Удержания воздуха или пластового газа в растворе.
Избыточного давления на насосах и в скважине при восстановлении циркуляция раствора после спускоподъёмной операции.
Снижения эффективности работы оборудования системы очистки раствора.
Сильного поршневого эффекта(депрессии) в кольцевом пространстве скважины при подъеме бурильной колонны.
Высокой репрессии на стенки скважины при спуске бурильной колонны.
Невозможности спуска геофизического оборудования до забоя.
Прогрессирующее или мгновенное структурообразование может указывать на наличие проблем в системе раствора. Большая разница между начальными показаниями СНС и показаниями через 10 или 30 мин называется прогрессирующим структурообразованием и свидетельствует оскоплении твердой фазы. Если начальное значение СНС и значение через 10 мин являются высокими и разница между ними невелика, то это говорит о мгновенном структурообразовании и может указывать на то, что произошла флокуляция. В системах с ксантановой смолой в основном значения СНС высокие и плоские, но причина заключается в образовании полимерной сети. Помимо этого, структурообразование биополимерные системы на основе ксантановой смолы также является хрупким, и структура легко разрушается. Хрупкое структурообразование характерно для полимерных буровых растворов. На Рис.3 представлены различныетипыструктурообразования в буровых растворах.

Статическое и динамическое напряжение являются мерой сил притяжения в растворе. Начальное статическое напряжение сдвига характеризует статические силы притяжения, а динамическое напряжение сдвига— динамические. Следовательно,при избыточном начальном СНС применяется та же обработка, что и при избыточном ДНС. Жидкости с тиксотропной структурой обладают своеобразной «памятью», что следует учесть при исследовании реологических свойств буровых растворов. Если жидкость пробыла в состоянии покоя в течение определенного времени перед измерением напряжения сдвига при определенной скорости сдвига, потребуется определенное время при заданной скорости сдвига прежде, чем можно будет измерить уравновешенное напряжение сдвига. Все связи между частицами, которые могут быть разрушены при данной скорости сдвига, должны быть разрушены,иначе измеренное напряжение сдвига окажется выше, чем истинное уравновешенное напряжение сдвига. Необходимое время зависит от внутренней структуры образца. После измерения при 600 об/мин и снижения скорости сдвига до 300 об/мин жидкость «помнит»свое состояние при 600 об/мин.Требуется некоторое время для того, чтобы восстановились некоторые связи между частицами,которые могут существовать при пониженной скорости сдвига,прежде чем можно будет измерить истинное уравновешенное напряжение сдвига. Такое напряжение сдвига сначала будет слишком низким, но постепенно увеличится и достигнет равновесия. Первое измеренное значение напряжения сдвига при любой скорости сдвига является функцией непосредственной истории сдвига данного образца. Если начальное СНС раствора измеряется непосредственно после его сдвига при 600 об/мин, показанное значение будет ниже, чем истинное напряжение сдвига раствора. Так как образование или разрушение гелевой структуры зависит от времени, существует множество путей перехода от одной скорости сдвига к другой. Это показано на Рис.4.

Сплошная кривая соответствует равновесным условиям замеров — в каждой ее точке достигнуто устойчивое значение показаний вискозиметра. Если в точке A начать быстро снижать скорость сдвига, то реологическая кривая течения во всех точках(кроме A) окажется ниже, чем равновесная кривая.Если теперь вискозиметр остановить и подождать некоторое время, пока в растворе образуется достаточно прочная структура,то включив вискозиметр при минимальной скорости, получим точку B, лежащую выше равновесной кривой. Быстро увеличивая скорость сдвига, получим новую реологическую кривую, все точки которой находятся выше равновесных значений. Достигнув точки C можно дождаться снижения показаний до равновесного значения в точке A.Кривой ВС можно следовать,если раствор плохо обработан. Это приведет к значительному увеличению давления циркуляции. Для достижения точки равновесия А может потребоваться длительное время. Правильно обработанные растворы следуют по более короткому пути для достижения равновесия, что приводит к более низкому давлению закачки.

Влияние температуры и давления на вязкость раствора
Увеличение температуры и давления влияет на вязкость жидкой фазы буровых растворов. Этот эффект сильнее сказывается на инвертно-эмульсионных растворах, чем на растворах на водной основе. Минеральные и синтетические масла разжижаются при повышении температуры более интенсивно, но при этом различные системы растворов на углеводородной и синтетической основе поразному реагируют на изменение температуры.Растворы на водной основе являются почти идеальными с гидродинамической точки зрения жидкостями, т.к. они практически несжимаемы. Растворы на углеводородной или синтетической основе, напротив, в той или иной степени подвержены сжатию под давлением. Их способность сжиматься варьируется в зависимости от основы раствора, соотношения углеводородная основа/вода или синтетическая основа/вода, а также от используемых добавок.В особенно сложных условиях бурения необходимо учитывать влияние температуры и давления на параметры бурового раствора.Это влияние на вязкость раствора можно определить с помощью ротационного вискозиметра высокого давления и температуры, такого как FannModel 50 (для растворов на водной основе), FannModel 70/75 или HuxleyBertram(для растворов на углеводородной или синтетической основе).Методика API для определения влияния температуры и давления
Температурная константа (β) для каждого раствора должна определятся для каждой скорости сдвига.
Константа давления (α) должна определятся для каждого бурового раствора.

Источник

Реологические свойства бурового раствора

Наиболее широко используемые в настоящее время буровые растворы представляют собой жидкости, содержащие дисперсную фазу. Как и обычные жидкости, они обладают подвижностью, т.е. способностью течь. При этом первоначальное расположение частиц жидкости изменяется, происходит деформация. Наука о деформации и течении тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими. Они характеризуются определенными величинами, не зависящими от условий их измерения и конструкции измерительных приборов. Такие величины называют реологическими константами.

Реологические свойства буровых растворов оказывают превалирующее влияние:

· на степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения породоразрушающего инструмента

· транспортирующую способность потока

· величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины

· величину гидродинамического давления на ее стенки и забой в процессе бурения

· амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении СПО и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны

· интенсивность обогащения бурового раствора шламом

· скорость эрозии стенок скважин и др.

Изучение реологических свойств дисперсных систем основано на выявлении закономерностей связи между силами (напряжениями), вызывающими течение жидкости, и получаемыми при этом скоростями течения (деформациями).

Перечень основных и производных от них показателей, характеризующих реологические свойства буровых растворов, определяется выбором реологической модели.

t₀ — динамическое напряжение сдвига ДНС, дПа;

С помощью величин реологических характеристик можно определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем, что очень важно для оценки качества промывочных жидкостей и выбора методов регулирования их свойств.

Стандартные полевые измерения вязкости бурового глинистого раствора проводятся с помощью вискозиметра буровых растворов ВБР-1 или воронкой Марша.

Вискозиметр ВБР-1, служащий для измерения условной вязкости, состоит из воронки, герметично соединенной трубки, сетки и мерной кружки.

Порядок определения. Взяв в руку воронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее отверстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуемую жидкость до верхней кромки вискозиметра. Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и одновременно левой рукой включают секундомер. Воронку необходимо держать вертикально (допускается отклонение не более 10 0 ). Когда мерная кружка наполнится до края, останавливают секундомер, а отверстие воронки вновь закрывают пробкой.

Условная вязкость определяется временем истечения 500 см 3 раствора через трубку из воронки вискозиметра, заполненной 700 см 3 раствора.

За исходный результат принимают среднее значение результатов трех измерений, отличающиеся между собой не более чем на 2 с.

6.8.4. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И КОРКООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА

Процессы фильтрации называют процесс разделения фаз дисперсной системы, происходящий при движении системы через пористую среду, размер пор которой того же порядка, что и размер частиц дисперсной фазы или меньше их.

Дисперсная система находится при этом по одну сторону пористой среды и с этой же стороны имеется превышение давления, вызывающее процесс фильтрации. В результате движения дисперсной системы через пористую среду в порах и на поверхности пористого тела задерживаются частицы дисперсной фазы, образуя фильтрационную корку. Последняя также содержит и некоторое количество дисперсионной среды, но значительно меньше, чем исходная дисперсная система.

Дисперсная система состоит из частиц, которые принадлежат к одной из двух групп. В первой средний размер частиц меньше, чем средний размер пор. Такие частицы проходят в пористую среду на некоторую глубину и создают корку внутри пористого тепа. Более крупные частицы не проходят в пористую среду и образуют корку на ее поверхности. Проходы, остающиеся в фильтрационной корке между более крупными частицами дисперсной фазы, перекрываются более мелкими частицами.

В продолжающемся процессе фильтрации жидкость проходит через образовавшуюся фильтрационную корку, оставляя на ней все новые и новые частицы; толщина фильтрационной корки непрерывно растет, а ее проницаемость (способность пропускать через себя фильтрат) снижается в связи с увеличением гидравлических сопротивлений.

Поэтому фильтрация есть процесс, затухающий во времени. Объем фильтрата, накапливающегося во времени, пропорционален корню квадратному из продолжительности фильтрации. Если на логарифмической бумаге откладывать продолжительность фильтрации и объем фильтрата, соответствующий ей, получится прямая линия, позволяющая определить объем фильтрата через заданный промежуток времени.

Объем фильтрата принято измерять через 30 мин после начала процесса. Логарифмическая зависимость позволяет ускорить измерение: объем фильтрата, выделившийся через 7,5 мин, практически равен половине объема, получаемого после 30 мин фильтрации.

На свойствах фильтрационной корки сказывается изменение скорости фильтрации во времени. Часть корки, которая прилегает к поверхности пористого тела, более уплотнена, обладает наименьшей влажностью и наибольшей прочностью. Чем ближе к исходной дисперсной системе, тем более рыхлой будет часть корки, тем ближе ее состав к составу дисперсной системы. Однако между коркой и системой существует граница раздела, на которой свойства дисперсной системы скачкообразно изменяются. Иногда эту границу трудно заметить вследствие тиксотропного упрочнения дисперсной системы.

Скорость фильтрации в значительной степени зависит от дисперсности частиц фильтрующейся системы. Чем меньше размер частиц (когда частицы крупнее пор), тем меньше скорость фильтрации. Когда размер частиц меньше, чем размер пор, скорость фильтрации с уменьшением размера частиц снова возрастает. Скорость фильтрации полидисперсной системы меньше, чем монодисперсной. Это объясняется тем, что более мелкие частицы будут перекрывать просветы между более крупными. Поэтому в распределении частиц дисперсной фазы по их размерам существуют оптимальные соотношения, обеспечивающие наименьшую скорость фильтрации. Для таких соотношений каждая группа более мелких частиц обеспечивает перекрытие просветов между частицами следующей группы частиц большего размера.

Кроме этого способа уменьшения скорости фильтрации существуют и физико-химические способы. Так, если частицы дисперсной фазы не защищены от коагуляции, они будут слипаться друг с другом и образовывать рыхлые агрегаты, легко проницаемые для дисперсионной среды. Фильтрационная корка, образованная такими агрегатами, также будет легко пропускать через себя фильтрат.

Принятие мер, обеспечивающих защиту частиц дисперсной фазы от агрегативной неустойчивости, обеспечивает получение дисперсной системы, не содержащей рыхлых агрегатов.

Фильтрационная корка в такой системе будет образована частицами, плотно прилегающими друг к другу, а следовательно, будет малопроницаемой. В отличие от рыхлой упаковки частиц в корке, образованной агрегатами, эту упаковку называют компактной. Когда защита обеспечивается добавлением высокомолекулярных и высоко гидрофильных органических соединений, их частицы также принимают участие в процессе коркообразования, заполняя более мелкие просветы, остающиеся между частицами дисперсной фазы, и еще более снижая проницаемость корки.

Следующим фактором, определяющим скорость фильтрации, является вязкость дисперсионной среды. С увеличением вязкости сопротивление фильтрата течению через поры фильтрующей поверхности возрастает, а следовательно, уменьшается скорость фильтрации. Указанные высокомолекулярные органические соединения при растворении в воде значительно повышают вязкость, снижая скорость фильтрации.

На процесс фильтрации существенно влияет величина давления, перепад которого и вызывает фильтрацию. По характеру этого влияния все фильтрационные корки делятся на несжимаемые и сжимаемые.

Во первых скорость фильтрации возрастает с увеличением перепада давления сначала быстро, затем все медленнее. Для сжимаемых корок вначале зависимость та же, однако при достижении определенного критического давления на корку, образованную в этих случаях частицами, слабо связанными друг с другом, последние перегруппировываются, обеспечивая более компактную упаковку. Скорость фильтрации снижается.

Значительно влияет на процесс фильтрации температура.

Различают статическую и динамическую фильтрацию. В первом случае единственным видом движения дисперсной системы над фильтрующей поверхностью является ее постепенное поступление в пористую среду. При динамической фильтрации дисперсная система принудительно, например с помощью мешалки, перемещается относительно фильтрующей поверхности и при достаточно высокой скорости размывает фильтрационную корку. Уменьшение толщины последней вызывает рост скорости фильтрации.

Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и пока используются лишь в научных исследованиях наиболее распространенным в практике разведочного бурения приборам относятся ВМ-6 (рис. 6.8.), в которых водоотдача измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см 2 за 30 мин.

6.8.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИПКОСТИ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ КОРКИ

Неоднократно предпринимались попытки ввести в практику исследования буровых растворов определение такого параметра, как липкость глинистой корки. Однако из-за несовершенства предложенных методов и конструкций приборов определение и анализ этого показателя свойств раствора распространения на промыслах не получили.

Липкость определяют следующим образом (рис. 6.9.). Фильтр с глинистой коркой кладут на столик. На корку кладут стальной брусок квадратного сечения со стороной квадрата, равной 10 мм; вес бруска 6 г, длина 64 мм. Вращением упорного винта увеличивают угол отклонения столика от горизонтали. С увеличением угла отклонения увеличивается составляющая сила тяжести бруска, стремящаяся сдвинуть брусок с глинистой корки. Когда эта составляющая сила преодолеет липкость корки, брусок соскользнет с нее. Тангенс угла наклона, при котором брусок соскользнет с глинистой корка, считается показателем липкости корки. Шкала прибора отмечает не величину угла отклонения, а его тангенс.

Этот метод определения липкости глинистой корки может быть применен и для фильтрационных корок промывочных жидкостей других видов.

6.8.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПЕСКА

Под песком понимается количество (объем) всех крупных частиц, имеющихся в промывочной жидкости. Сюда относятся собственно песок, грубодисперсные частицы выбуренной породы и исходной твердой фазы промывочной жидкости. Содержание песка обозначается обычно буквой П, измеряется в %.

Таким образом, содержание песка характеризует устойчивую загрязненность промывочной жидкости твердыми включениями. Чрезмерное содержание песка приводит к абразивному износу гидравлического оборудования и бурового снаряда, уменьшению механической скорости бурения. Содержание песка определяют с помощю отстойника ОМ-2.

Для промывочных жидкостей нормальным считается содержание песка до 4%.

6.8.7. СОДЕРЖАНИЕ ГАЗА

Содержание газа в растворе обозначается буквой Г и измеряется в процентах (%). Пузырьки, находящиеся в промывочной жидкости, могут состоять из естественного газа, проникшего в жидкость из стенок скважины или из выбуренной породы. В некоторых случаях газ находится в растворенном состоянии и вследствие уменьшения давления по сравнению с давлением в скважине вскипает, образуя пузырьки. Иногда это пузырьки воздуха, захваченного на дневной поверхности или внесенного насосами, которые захватывают воздух при незаполненных приемах.

Наличие пузырьков в промывочной жидкости легко обнаружить, нанеся небольшое количество ее на стеклышко, по поверхности которого жидкость может стекать. Пузырьки видны при рассмотрении жидкости на свету. Их можно заметить также на поверхности жидкости, протекающей по желобам или стекающей по доске, лопате при извлечении их из жидкости, при этом наблюдается рябь, напоминающая кипение жидкости. Содержание газа необходимо знать, чтобы контролировать начинающееся газопроявление в скважине и способность жидкости оказывать на забой давление. Присутствие газа ухудшает работу насосов, увеличивает вязкость промывочной жидкости.

Метод основан на разбавлении промывочной жидкости водой, в результате чего пузырьки приобретают способность всплывать, уменьшая кажущийся объем промывочной жидкости. В мерный цилиндр с притертой пробкой (емкостью 250 мл) вносят отмеренные мензуркой 50 мл промывочной жидкости и добавляют 200 мл воды, часть которой перед этим используют на обмывание мензурки с остатками промывочной жидкости. Цилиндр закрывают пробкой, энергично взбалтывают его в течение 1 мин и оставляют в покое. После того как пена опадет, измеряют объем жидкости в мерном цилиндре. Этот объем будет меньше суммарного (250 мл) на величину объема газа. Содержание газа определяют по формуле

где Р объем, занятый жидкостью после удаления газа.

6.8.8. ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ (рН)

Чтобы избежать неудобств, связанных с применением степенных отрицательных чисел, концентрацию водородных ионов принято выражать ее логарифмом с обратным знаком и называть водородным показателем

В нейтральных растворах рН=7

В кислых рН 7 и повышается с увеличением щелочности.

Концентрация водородных ионов рН важный показатель, определяющий характер физико-химических процессов в промывочной жидкости и необходимость обработки ее реагентами. В каждой дисперсной системе при определенных значениях концентрации водородных ионов наступает максимум и минимум стабильности.

Для различных промывочных жидкостей существует своя оптимальная концентрация водородных ионов, при которой они наиболее полно удовлетворяют требованиям технологии бурения в конкретных геолого-технических условиях. Контроль за величиной рН позволяет определить причины изменения свойств промывочной жидкости в процессе бурения и принять меры по восстановлению ее качества. Концентрацию водородных ионов промывочных жидкостей измеряют колориметрическим и электрометрическим способами.

Колориметрический способ основан на применении индикаторов. При этом способе используют наборы индикаторов и буферных растворов различных реактивов с определенными значениями рН. Фильтрат, полученный при измерении водоотдачи, наливают в пробирку, добавляют в нее раствор индикатора и сравнивают цвет жидкости в этой пробирке с цветом эталонных буферных растворов с индикаторами или с эталонной цветной шкалой, на которой указаны значения рН, соответствующие той или иной окраске. Более удобен колориметрический способ измерения рН с использованием набора индикаторной бумаги и эталонных цветных шкал. При измерении полоску индикаторной бумаги осторожно укладывают на поверхность промывочной жидкости. Когда полоска пропитывается жидкостью и цвет ее перестанет изменяться, прикладывают ее к эталонной шкале и по шкале определяют величину рН, соответствующую данной интенсивности окраски. Если подобрать подходящий цвет по шкале не удается, это значит, что сорт бумаги был выбран неправильно, опыт нужно повторить, взяв соответствующую бумагу. Колориметрический метод имеет невысокую точность (+0,5 рН) и чаще применяется в полевых условиях.

Электрометрический способ используется для более точного определения рН в лабораториях на специальных приборах рН-метрах (рис. 6.11.), например рН-262. Здесь для измерения величины рН используется система со стеклянным электродом, электродвижущая сила которой зависит от активности ионов водорода в растворе. При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.

Прибор позволяет выполнить измерения рН с точностью до 0,01 единицы.

6.8.9. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И КОАГУЛЯЦИЯ

По агрегатному состоянию и механическим свойствам дисперсные системы могут быть разделены на две группы: 1) свободнодисперсные, или бесструктурные, и 2) связнодисперсные, или структурированные.

Механические свойства этих систем аналогичны механическим свойствам их дисперсионной среды. Если буровой раствор, например водный карбонатный раствор, представляет собой в каком-либо конкретном случае свободнодисперсную, бесструктурную систему, то его механические свойства аналогичны свойствам дисперсионной среды. Он также не оказывает сопротивления сдвигу, т. е. не обладает механической прочностью, и является водной суспензией с низкой вязкостью, без загустевания при спокойном стоянии и без разжижения при движении.

Вязкость таких систем изменяется только при изменении количества дисперсной фазы, приходящейся на единицу объема. С увеличением объема частиц дисперсной фазы за счет заполнения части объема дисперсионной среды повышается вязкость системы.

Связнодисперсные, структурированные системы называются гелями.

Для получения в дисперсной системе структуры требуется наряду с другими условиями определенная концентрация твердой дисперсной фазы. Разбавленные системы с малой концентрацией твердой фазы обычно являются свободнодисперсными золями.

Дисперсная система, имеющая пространственную структуру, обладает такими физико-механическими свойствами, как прочность, упругость, пластичность, вязкость, зависящими от физико-химических свойств веществ, образующих систему, и их количественного соотношения. Структурно-механические свойства растворов определяют во многом их качество. Одной из наиболее важных характеристик промывочных жидкостей является тиксотропность, связанная с созданием и разрушением структуры.

Следовательно, тиксотропия представляет собой процесс, связанный с обратимыми созданием и разрушением пространственной структурной сетки-каркаса дисперсной системы.

Предельное статическое напряжение сдвига

Предельное статическое напряжение сдвига (СНС) обозначается буквой «q» и измеряется в Па.

Физический смысл: условная характеристика прочности тиксотропной структуры, возникающей в промывочной жидкости после нахождения в покое в течение одной (СНС₁) или десяти (СНС₁₀) минут. Первая величина характеризует удерживающую способность промывочной жидкости. При выборе параметров промывочной жидкости принимается меньшее значение величины СНС₁, при котором обеспечивается выполнение указанной функции. При еще меньших величинах частицы породы не будут удерживаться во взвешенном состоянии.

В связи с тиксотропностью промывочной жидкости прочность структуры при длительном нахождении в покое может достичь таких значений, при которых в момент восстановления циркуляции сопротивление структуры вызовет очень большое увеличение давления промывочной жидкости, что способствует разрыву пласта. Поэтому кроме величины СНС₁ измеряют и СНС₁₀, причем тиксотропность характеризуют частным от деления второй величины на первую.

Сила сопротивления раствора вращению в нем внутреннего цилиндра f₁ равна произведению боковой поверхности цилиндра на статическое напряжение сдвига.

В отечественной практике применяются ротационные приборы с неподвижным внутренним цилиндром и вращающимся внешним цилиндром-стаканом. Получил распространение прибор СНС-2 (рис. 6.12.) завода КИП.

6.8.10. ПРИБОРНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СЛОЖНЫМ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ БУРЕНИЯ

(П.С.Чубик, В.И.Брылин, Е.Б.Годунов)

Для успешного бурения в сложных геолого-технических условиях, характеризующихся нарушениями устойчивости стенок скважин, поглощениями промывочной жидкости, прихватами бурильной колонны; большими зенитными, вплоть до 90 градусов, углами скважины и т.п., требуется глубокая и всесторонняя оценка качества промывочной жидкости, которая особенно остро необходима на стадии ее проектирования, так как качество должно быть заложено в промывочной жидкости, а не доказываться контролем.

Для решения этой задачи в Томском политехническом университете разработан приборно-методический комплекс, включающий в себя следующее:

— универсальный прибор для оценки ингибирующей и консолидирующей способности промывочных жидкостей (ПОИКС);

— универсальный пресс для формирования модельных образцов глинистых и потенциально неустойчивых пород (пресс);

— прибор для оценки закупоривающей способности промывочных жидкостей (ПОЗС);

— прибор для определения смазочной способности промывочных жидкостей (трибометр).

ПОИКС (рис. 6.13.) используется с целью получения количественных показателей, характеризующих влияние промывочных жидкостей на разупрочнение и диспергирование глинистых и глиносодержащих пород, а также на упрочнение (консолидацию) потенциально неустойчивых пород, и выбора на этой основе оптимальных составов промывочных жидкостей, обеспечивающих следующие возможности:

— предупреждение деформационных процессов в околоствольном пространстве скважин (кавернообразование, сужение ствола и т.п.), представленном легкогидратирующимися, набухающими и размокающими глинами и глинистыми сланцами;

— снижение интенсивности обогащения промывочной жидкости шламом при бурении в легкодиспергирующихся глинистых отложениях и, соответственно, снижение интенсивности изменения ее функциональных свойств, регенерация которых требует разбавления промывочной жидкости водой, дополнительной обработки ее химическими реагентами, и неизбежно связана с увеличением не только затрат на бурение скважин, но и загрязнения окружающей среды;

— качественное вскрытие продуктивных пластов в песчано-глинистых коллекторах.

Ингибирующую способность (Ис) промывочной жидкости характеризуют следующим показателем

Показателем консолидирующей способности (Кс) служит продолжительность нахождения в промывочной жидкости в устойчивом состоянии сконсолидированного ею модельного образца породы.

От аналогов ПОИКС отличается универсальностью, автоматической регистрацией измеряемой величины, а также более высокой достоверностью и точностью оценки рассматриваемых показателей свойств промывочных жидкостей (Ис, Кс), способы определения которых защищены патентами № 2073227 и № 2073842 Российской Федерации.

ПОЗС (рис. 3.14.) предназначен для выбора наиболее эффективного закупоривающего материала (наполнителя) и минимально необходимой его концентрации в промывочной жидкости с целью ликвидации ее потерь при бурении скважин в зонах поглощений и реализации управляемой приствольной кольматации продуктивных пластов без загрязнения их фильтратом промывочной жидкости.

Принцип работы ПОЗС заключается в следующем. Камеру заполняют промывочной жидкостью, содержащей испытуемый наполнитель, и при постоянном напоре продавливают ее через модельный образец. Измеряют объем промывочной жидкости (V, см 3 ), прошедшей через образец до момента его полного закупоривания. Испытания проводят не менее трех раз при различной концентрации испытуемого наполнителя в одной и той же исходной промывочной жидкости. По результатам испытаний находят зависимость С = f (V), наиболее адекватно описывающую связь между концентрацией наполнителя С и объемом бурового раствора V, прошедшего через модельный образец до момента его полного закупоривания. Затем, приняв в найденной зависимости V = 0, определяют минимально необходимую концентрацию наполнителя (С_min) для полного закупоривания модельного образца без ухода из камеры (без поглощения) промывочной жидкости. Полученное значение С_min является интегральным показателем закупоривающей способности системы “промывочная жидкость + наполнитель” для конкретной приемистости или проницаемости модельного образца, имитирующего поглощающий или продуктивный пласт.

Для моделирования поглощения в трещиноватых породах используют искусственные щели различной ширины, а гранулярные пласты различной проницаемости моделируют с помощью дроби, стеклянных и стальных шариков различного диаметра, частиц песка определенной фракции и т.п.

По сравнению с прибором аналогичного назначения Американского нефтяного института данный прибор обеспечивает однозначный выбор наиболее эффективного закупоривающего материала (наполнителя) для ликвидации поглощений промывочной жидкости по минимально необходимой для этого концентрации наполнителя, способ определения которой защищен патентом № 2062452 Российской Федерации / 4 /.

Трибометр(рис 6.15.) предназначен для оценки триботехнических свойств промывочных жидкостей, характеризующих их способность снижать трение между контактирующими в скважине поверхностями и их износ.

Снижение коэффициента трения позволяет:

— уменьшить крутящий момент при вращении колонны бурильных труб и снизить сопротивления при продольном их перемещении в скважине (при СПО), что в целом снижает энергоемкость процесса бурения;

— снизить вероятность возникновения дифференциальных прихватов (затраты на их ликвидацию);

— повысить ресурс работы бурильных труб и их соединений, породоразрушающего инструмента, гидравлических забойных двигателей, гидравлических частей буровых насосов;

— увеличить выход керна в результате предупреждения его самоподклинок.

Отличительными особенностями данного трибометра, защищенными патентом № 2044301 Российской Федерации, являются полная имитация работы бурового снаряда в скважине, использование для измерения силы трения простого и высокоточного измерительного устройства, предельно малые габариты.

Все рассмотренные выше приборы и методики прошли достаточно широкую апробацию, результаты которой убедительно свидетельствуют о высокой результативности их использования в процессе оптимизации составов промывочных жидкостей для бурения скважин в сложных геолого-технических условиях.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник