Буровые растворы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технологические функции буровых растворов (БР). Требования, предъявляемые к БР

Основные функции: очистка забоя скважины от шлама и транспортирование его на поверхность, охлаждение породоразрушающего инструмента, передача энергии гидравлическим забойным двигателям.

Дополнительные функции: обеспечение устойчивости горных пород в околоствольном пространстве скважины, создание статического равновесия в системе «ствол скважины - пласт», удержание частиц разрушенной породы во взвешенном состоянии в периоды прекращения циркуляции, снижение сил трения между контактирующими в скважине поверхностями и их износа. Требования: увеличение скорости процесса разрушения горных пород на забое скважины, предотвращение коррозии бурового инструмента и оборудования, сохранение проницаемости продуктивных горизонтов при их вскрытии, обеспечение получения достоверной геолого-геофизической информации, устойчивость к возмущающим воздействиям.

2. Вязкопластичные БР, их реологическая модель и показатель реологических свойств

Вязкопластичная промывочная жидкость характеризуется тем, что в состоянии покоя обладает пространственной структурой, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, меньшему СНС. Когда напряжение сдвига, вызванное внешним воздействием, превышает значение СНС, структура разрушается, и жидкость начинает течь. При 0 жидкость течет уже как обычная ньютоновская жидкость с вязкостью. Когда действующие в промывочной жидкости касательные напряжения сдвига становятся меньше СНС (СНС), то пространственная структура вновь восстанавливается.

Реограмма ВПЖ не проходит через начало координат, а начинается от точки на оси касательных напряжений сдвига и имеет прямолинейный участок.

Для скоростей сдвига, соответствующих линейному участку, t = f(g) описывается законом Бингама - Шведова

t = t0 + h g

где t0 - динамическое напряжение сдвига, Па (дПа);

h-пластическая.вязкость,Па?с(мПа?с).

3. Сущность пневматического способа удаления продуктов разрушения. Разновидности газообразных агентов

Пневматический способ заключается в выносе продуктов разрушения из скважины потоком газа, чаще всего, сжатого воздуха. Кроме сжатого воздуха используют выхлопные газы ДВС, природный газ, азот. Всю их совокупность называют газообразными агентами. Патент по использованию сжатого воздуха для удаления шлама из скважин принадлежит американцу П. Суини, который он получил в 1866 г. Из газообразных агентов первым был испытан природный газ. Произошло это в сентябре 1932 г. при бурении нефтяной скважины глубиной 2680 м в штате Техас США. В этом же штате в 1950 г. для удаления продуктов разрушения при бурении сейсмических скважин впервые начали использовать сжатый воздух.

вискозиметр буровой раствор газожидкостный

4. Понятие о БР, как о гомогенных и гетерогенных физико-химических системах

БР представляют собой физико-химические системы, состоящие из одной или нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других частей реальной поверхностью раздела. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными (однородными). Примером гомогенных систем могут служить истинные растворы (водные растворы солей, щелочей и кислот). Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем будет тот компонент, которого больше. Растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, а с высоким - концентрированными. Различают растворы водные (полярные), когда растворителем является вода, и неводные (неполярные), когда растворителем являются органические и неорганические вещества. В бурении примером гомогенных систем (до попадания в них шлама) могут служить: техническая вода;полимерные растворы;водные растворы электролитов (солей);водные растворы ПАВ;газообразные агенты.

Физико-химические системы, состоящие из двух и более числа фаз, называются гетерогенными (неоднородными). Гетерогенные системы - это совокупность мелких частиц, называемая дисперсной фазой (ДФ), и окружающее их вещество, называемое дисперсионной средой (ДС). Отсюда, обязательным условием получения гетерогенных систем является взаимная нерастворимость диспергированного вещества (дисперсной фазы) и дисперсионной среды. По характеру (природе) дисперсионной среды гетерогенные системы могут быть водными (полярными) и углеводородными (неполярными).

5. Схема и принцип работы ротационного вискозиметра. Сущность методики определения показателей реологических свойств БР с помощью ВСН - 3

Чтобы определить значения показателей реологических свойств бурового раствора чаще всего используют ротационные вискозиметры, Основу которых составляют два вертикально расположенных соосных цилиндра, в зазор между которыми заливается исследуемый буровой раствор.Внешний цилиндр (гильза) 1 может вращаться с различными частотами. При вращении гильзы между слоями бурового раствора, находящегося в кольцевом зазоре вискозиметра, возникают касательные напряжения сдвига и крутящий момент, который передается внутреннему цилиндру 2. В результате последний поворачивается вокруг своей оси до тех пор, пока момент, развиваемый касательными напряжениями сдвига, не станет равным моменту закручивания пружины 3. Угол поворота внутреннего цилиндра, пропорциональный величине касательных напряжений сдвига, фиксируется по шкале прибора4. В настоящее время в отечественной инженерной практике для реометрии буровых растворов наиболее широко используется ротационный вискозиметр ВСН-3. Реометрические измерения на BCH-3 сводятся к последовательной установке фиксированных частот вращения гильзы ni (600, 400, 300 и 200 мин-1) и определению при этом устойчивых показаний углов поворота шкалы ji.

6. Растворы на углеводородной основе (РУО). Составы, преимущества, недостатки и основное назначение

Дисперсионная среда РУО: дизельное топливо; нефть; углеводородорастворимые ПАВ, небольшое количество эмульгированной воды.

Дисперсная фаза РУО: высокоокисленный битум; гидроокись кальция (CaO); глина, в том числе органобентонит; барит (при необходимости утяжеления РУО); Первый отечественный РУО имел следующий состав:

дизельное топливо - 80 %; высокоокисленный битум - 16 %;

окисленный парафин - 3 %; каустическая сода (NaOH) - 1 %.

Несколько позже для структурирования РУО в него стали добавлять негашеную известь - СаО. Такие растворы получили название известково-битумных растворов (ИБР). РУО по сравнению с буровыми растворами на водной основе имеют целый ряд преимуществ: обладают высокой стабильностью во времени (можно длительно хранить и многократно использовать); инертны в отношении глин и солей; обладают хорошими антикоррозионными и триботехническими свойствами; могут утяжеляться любыми стандартными утяжелителями; обладают высокой термостойкостью (до 220…220 °С); почти не фильтруются в проницаемые пласты, а их фильтрат не оказывает вредного влияния на продуктивные нефтяные горизонты, так как имеет общее сходство с пластовой нефтью. Недостатками, сдерживающими широкое применение РУО, являются: высокая стоимость; трудность очистки от шлама; трудность проведения электрометрических работ; экологическая вредность. Основная область применения РУО: вскрытие продуктивных нефтяных пластов с низким пластовым давлением. Кроме этого, РУО применяют при бурении скважин в условиях высоких положительных и отрицательных забойных температур, а также для проходки соленосных толщ и высокопластичных глинистых пород.

7. Классификация физико-химических систем по степени дисперсности и агрегатному состоянию дисперсной фазы

Степень дисперсности D определяется величиной, обратной размерам частиц дисперсной фазы D = 1/a, см-1, где а - характерный размер частиц дисперсной фазы, см: а)диаметр (для сферических и волокнистых частиц);б)длина ребра (для частиц кубической формы);в) толщина пленки (для пластинчатых частиц).Степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд длиной 1 см. По степени дисперсности гетерогенные системы делятся на две группы: высокодисперсные или коллоидные а » 10-5…10-7 см, D » 105…107 см-1 и грубодисперсные а > 10-5 см, D < 105 см-1. Следующим отличительным признаком гетерогенных систем с жидкой дисперсионной средой является агрегатное состояние дисперсной фазы, которая может быть твердой, жидкой и газообразной. Системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называются суспензиями ТДФ + ЖДС = суспензия. Системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда представляют собой несмешивающиеся жидкости, называются эмульсиями ЖДФ + ЖДС = эмульсия. В этом случае одна из жидкостей должна быть полярной, а другая неполярной. Обычно полярную жидкость условно называют «водой», а неполярную - «маслом».

8. Триботехнические (смазочные) свойства БР. Принципиальные схемы существующих трибометров

Триботехнические свойства отвечают за способность бурового раствора снижать силу трения между контактирующими в нем поверхностями. В общем случае при бурении контактирующими в буровом растворе поверхностями являются следующие: наружная поверхность бурильных труб и их соединений - стенка ствола скважины;вооружение породоразрушающего инструмента - забой скважины;внутренняя поверхность керноприемной трубы - керн;поршень (плунжер) - цилиндр бурового насоса. Снижение силы трения позволяет: уменьшить крутящий момент при вращении колонны бурильных труб и снизить сопротивления при ее продольном перемещении в скважине, 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; Показателем триботехнических свойств промывочной жидкости является коэффициент триады трения «бурильные трубы - промывочная жидкость - стенка ствола скважины», так как наибольшие трудности, обусловленны силой трения и сопротивления при подъеме бурильной колонны, возникающих в наклонных и горизонтальных скважинах.Для определения значений коэффициента трения (оценки качества смазочных добавок и нахождения их оптимальных концентраций в тех или иных буровых растворах) используют специальные приборы - трибометры. Первой серийно выпускаемой установкой для оценки смазочных свойств промывочных жидкостей в нашей стране была СР-1.Узел трения в установке СР-1 представляет собой пирамиду из трех неподвижных и одного подвижного шаров, что ни по схеме взаимодействия трущихся тел, ни по форме площадок их контакта не соответствует условиям работы колонны бурильных труб в скважине.

9. Техническая вода. Назначения и требования к качеству. Достоинства, недостатки и область применения воды как очистного агента

Техническая вода является наиболее доступным и дешевым очистным агентом, поэтому широко используется при бурении устойчивых пород в случае отсутствия флюидопроявлений. Ещё техническая вода служит основой, т. е. дисперсионной средой, для получения абсолютного большинства других типов очистных агентов (буровых растворов на водной основе). а) При использовании тех воды,как самостоятельного очистного агента важным показателем её качества является состав минерализации. Состав минерализации определяет агрессивность вод по отношению к металлу и тампонажному (цементному) камню, проявляющуюся в разрушении металла и растворении компонентов цементного камня. Сернокислые воды обладают сильной агрессивностью по отношению к металлу, а магнезиальные - к цементному камню. В качестве очистного агента эти воды применять нельзя. б)При использовании технической воды как основы для приготовления буровых растворов наиболее важными показателями её качества являются жесткость и степень минерализации. Для смягчения жесткой воды ее обрабатывают NaOH, Na2CO3 и Na3PO4?10H2O. Степень минерализации воды оказывает существенное влияние на эффективность действия (расход) химических реагентов и степень гидратации глин. Кроме своей доступности и дешевизны вода, как очистной агент, обладает целым рядом и других преимуществ: малой вязкостью (1 мПа?с при t = 20,5 ?С); низкой плотностью (1000 кг/м3);высокой охлаждающей способностью. Совокупность этих свойств воды обеспечивает эффективную работу породоразрушающего инструмента (высокую механическую скорость бурения и проходку на долото), гидравлических забойных двигателей и буровых насосов.

Однако вода, как очистной агент, имеет и ряд недостатков: вызывает интенсивную гидратацию, набухание и диспергирование глинистых пород; легко поглощается и размывает керн при бурении в трещиноватых, пористых и рыхлых породах; растворяет соли; замерзает при отрицательной температуре; плохо удерживает частицы выбуренных пород при прекращении циркуляции. Вывод: применение воды в качестве очистного агента целесообразно и эффективно лишь при бурении в устойчивых (не размываемых, не растворяемых и не набухающих) породах при отсутствии зон поглощений и флюидопроявлений. Вода может успешно применяться для вскрытия водоносных горизонтов.

10. Классификация очистных агентов по числу фаз, агрегатному состоянию дисперсионной среды, ее характеру (природе), агрегатному состоянию дисперсной фазы и др. признакам

Важнейшими физико-химическими признаками очистных агентов, как физико-химических систем, являются следующие: число фаз; природа (состав) дисперсионной среды; агрегатное состояние дисперсной фазы. По числу фаз очистные агенты можно разделить на два больших класса: гомогенные (однофазные) и гетерогенные (многофазные). По природе (составу) системы в целом или её дисперсионной среды можно выделить подклассы водных (полярных), углеводородных (неполярных) и газообразных очистных агентов. Кроме того, гетерогенные системы могут быть разделены на группы по агрегатному состоянию дисперсной фазы, которая может быть твердой, жидкой, газообразной и комбинированной.

11. Схема и принцип работы капиллярного вискозиметра. Устройство полевого вискозиметра ВБР-1 и порядок работы с ним

Для оперативной оценки реологических свойств буровых растворов в нашей стране используют вискозиметр ВБР-1, представляющий собой стандартную воронку объемом 700 см3, заканчивающуюся калиброванной трубкой диаметром 5 мм и длиной 100 мм. Показателем реологических свойств в этом случае является условная вязкость (УВ, с) - величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению. Условная вязкость определяется временем истечения 500 см3 бурового раствора через вертикальную трубку 2 из воронки 1, за полненной 700 см3 бурового раствора. В состав ВБР-1 так же входят мерная кружка 3 и сетка 4.За рубежом условную вязкость буровых растворов измеряют с помощью воронки Марша, которая в отличие от ВБР-1 оснащена трубкой меньшей длины (50,8 мм) и меньшего диаметра (4,7 мм), но при этом ее воронка и мерная кружка имеют большую вместимость: соответственно 1500 и 946 см3.

12. Полимерглинистые растворы и их разновидности

Предназначены для массового бурения эксплуатационных и разведочных скважин , а также для вскрытия продуктивных пластов. Основой для получения полимерглинистых буровых растворов могут служить как естественные, так и приготовленные на поверхности глинистые суспензии.Разновидности полимерглинистых растворов: 1) На основе одного полимерного реагента: КМЦ, ПАА (его аналогов), метаса, КЕМ-ПАС, М-14ВВ, НР-5. При необходимости разжижения - обработка НТФ. Предназначены для бурения в достаточно устойчивых, слабо набухающих породах (обычно при бурении под кондуктор). 2)На основе одного полимерного реагента с добавками ГКЖ-10 (11) или Петросил-2М (гидрофобизующие растворы). Предназначены для разбуривания высококоллоидальных глинистых пород. Недостаток гидрофобизующих растворов - низкая устойчивость к воздействию катионов Ca2+ и Mg2+ (не более 300…400 мг/л). 3)На основе комплексных или поликомплексных реагентов, содержащих два или большее число полимеров, одни из которых обладают свойствами стабилизаторов (понизителей фильтрации), а другие - флокулянтов (ингибируют глинистые породы и предотвращают обогащение бурового раствора шламом). Назначение: бурение в набухающих глинах и неустойчивых глинистых сланцах. Для эффективной работы полимерных реагентов оптимальные значения рН необходимо поддерживать в пределах 8,5…9,5. Термостойкость полимерглинистых растворов зависит от применяемых полимеров и варьирует в пределах 120…200 °С. Из трех разновидностей полимерглинистых растворов для вскрытия продуктивных пластов наиболее предпочтительны гидрофобизующие, которые относятся к классу защитно-кольматирующих (образуют тонкий, низкопроницаемый экран, впоследствии разрушаемый перфорацией). Коэффициент восстановления проницаемости в заглинизированных гранулярных коллекторах составляет 0,8…0,85, т.е. проницаемость ухудшается на 15…20 %.

13. Понятие об агрегативной и кинетической устойчивости дисперсных систем

Различают два вида устойчивости гетерогенных дисперсных систем (очистных агентов): 1)агрегативную;2)кинетическую (седиментационную). Под агрегативной устойчивостью понимают способность дисперсной системы противостоять слипанию частиц дисперсной фазы. Кинетическая (седиментационная) устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять действию силы тяжести, т.е. удерживаться во взвешенном состоянии равномерно распределенными по всему объему. Согласно современным представлениям агрегативная устойчивость дисперсных систем обусловлена действием трех факторов: 1)электростатического; 2) адсорбционно-сольватного; 3) структурно-механического. При небольшой концентрации дисперсной фазы гетерогенные системы сохраняют свою кинетическую устойчивость благодаря броуновскому движению - беспорядочному, хаотичному движению коллоидных частиц (мицелл), связанному с тепловым движением молекул дисперсионной среды. Кроме броуновского движения, другими факторами, влияющими на кинетическую устойчивость разбавленных суспензий, являются: 1)степень дисперсности частиц твердой фазы;2) вязкость дисперсионной среды;3) различие плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Кинетическая устойчивость гетерогенных систем при относительно высоком содержании частиц дисперсной фазы обеспечивается прочностью образующейся в результате сцепления этих частиц пространственной структуры, именуемой гелем.

14. Ингибирующая способность БР. Сущность процессов концентрационного осмоса, электроосмоса и адсорбционного всасывания. Существующие показатели оценки ингибирующей способности

Ингибирующая способность - это способность промывочной жидкости предупреждать или замедлять деформационные процессы в околоствольном пространстве скважин (кавернообразование, сужение ствола и т.п.), представленном легкогидратирующимися, набухающими и размокающими глинистыми породами.. При этом под глинистыми породами понимаются не только собственно глины, но и глинистые сланцы, аргиллиты, породы на глинистом цементе (глинистый песчаник, мергель, алевролит и др.). Согласно современным представлениям основные причины потери устойчивости глинистых и глиносодержащих пород, связаны с нарушением их естественного влажностного равновесия при взаимодействии с дисперсионной средой промывочных жидкостей и обусловленным этим ростом дополнительных внутренних напряжений в поровом пространстве. Осматическое давление - если раствор, типа солёной воды, отделен от чистой воды мембраной, которая является непроницаемой для соли, вода будет проникать из объёма с чистым растворителем в соляной раствор. Движущая сила данного процесса называется "осмотическим давлением". Его величина зависит от концентрации солей, а также числа ионов в растворе. Электроосмос (electroosmosis) - перемещение дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Адсорбция - (adsorptio - всасывание, поглощение) - поверхностное поглощение (в отличие от объемного - абсорбции) поверхностью раздела двух граничащих фаз без химической реакции. При адсорбции вещество, поглощаемое из жидкого раствора или газовой среды, концентрируется в поверхностном слое частиц адсорбента. В связи со сложностю процессов влагопереноса в системе «ствол скважины -глинистые породы» единый показатель оценки ингибирующей способности промывочной жидкости до сих пор отсутствует. По этой причине в исследовательской и инженерной практике ингибирующую способность характеризуют достаточно большим числом раздичных показателей. Однако все эти показатели в принципе могут быть объединены в три группы:показатели набухания,показатели влажности и показатели деформации естественных и искусственных образцов глинистых пород,контактирующих с исследуемой средой.

15. Дегазация БР. Сущность существующих способов дегазации

В зависимости от концентрации газа в промывочной жидкости, выходящей из скважины, используют одно- или двухступенчатую системы его удаления. Двухступенчатая система удаления газа из промывочной жидкости осуществляется по следующей схеме: газовый сепаратор (грубая очистка) - дегазатор (тонкая очистка) - вибросито. Двухступенчатую систему используют при большой концентрации газа в промывочной жидкости или в том случае, если газ токсичен (как, например, сероводород). При небольшой концентрации газа используют одноступенчатую систему его удаления, осуществляемую по следующей схеме: вибросито (частичная дегазация) - дегазатор.В основу работы используемых в бурении дегазаторов положен барометрический способ разрушения газовых пузырьков (изменение давления путем вакуумирования). При всех закрытых клапанах включается вакуум-насос. Как только разряжение достигает заданной величины, приемный клапан открывается и загазированная промывочная жидкость засасывается в камеру, где освобождается от газа, который отсасывается вакуум-насосом. Когда уровень промывочной жидкости в камере достигает максимально допустимой высоты, открывается выпускной (соединяет камеру с атмосферой) и сливной клапаны.

16. Сущность электростатического фактора, определяющего агрегативную устойчивость дисперсных систем

Под агрегативной устойчивостью понимают способность дисперсной системы противостоять слипанию частиц дисперсной фазы. При гидратации и диспергировании глины в воде частицы, на которые она распадается, приобретают определенное строение, называемое мицеллой. Мицелла - это наименьшее количество глинистого вещества, способного к самостоятельному существованию. Внутренняя часть мицеллы называется ядром. На поверхности ядра концентрируются гидроксил - ионы ОН-, сообщающие ему отрицательный заряд. Эти ионы прочно связаны с ядром и образуют внутреннюю обкладку двойного электрического слоя (ДЭС). Вокруг нее располагается слой также прочно притянутых к ядру, но положительно заряженных ионов Н+. Часть мицеллы, включающая в себя ядро с двумя слоями неподвижных ионов, называется гранулой. Вокруг гранулы располагается третий слой также положительно заряженных ионов, но имеющих очень слабую связь с ядром. Слой подвижных ионов называется диффузным. Слой отрицательно заряженных ионов и слои положительно заряженных ионов образуют двойной электрический слой (ДЭС). Между диффузным и неподвижным слоями катионов существует динамическое равновесие: одни катионы переходят из неподвижного слоя в диффузный, другие - возвращаются из диффузного в неподвижный.

17. Плотность БР, ее влияние на основные показатели и процессы бурения скважин. Устройство ареометра АБР-1 и порядок работы с ним

Плотность бурового раствора - это масса единицы его объема. Величина плотности определяет гидростатическое давление на забой и стенки скважины столба бурового раствора

ргс = r q H

где ргс - гидростатическое давление, Па;?- плотность бурового раствора, кг/м3;q - ускорение свободного падения, м/с2; Н - высота столба бурового раствора, м. Для предупреждения флюидопроявлений гидростатическое давление столба бурового раствора должно превышать пластовое (поровое) давление (рп). Пластовое (поровое) давление - это давление, создаваемое пластовыми флюидами (нефтью, газом, водой) на стенки пор горной породы. Различают нормальное (рпн), аномально высокое (рпАВ) и аномально низкое (рпАН) пластовое давление. Помимо удержания в пластах жидких и газообразных полезных ископаемых, повышенное давление столба бурового раствора на стенки скважины помогает поддерживать их устойчивость, так как создает противодавление. С ростом гидродинамического давления на забой скважины существенно снижается механическая скорость бурения. По правилам безопасности в нефтяной и газовой промышленности (ПБ) «Плотность бурового раствора при вскрытии газонефтеводонасыщенных пластов должна определяться для горизонта с максимальным градиентом пластового давления в интервале совместимых условий». В интересах обеспечения безопасности проводки скважины стремятся поддерживать плотность промывочной жидкости на уровне, который выше фактически необходимого для удержания флюидов в пласте. Однако это имеет ряд существенных недостатков. Чрезмерная плотность промывочной жидкости может привести к такому повышению давления на стенки ствола скважины, что под действием растягивающих нагрузок ствол разрушится и буровой раствор проникнет в пласт по образующимся трещинам. Такое разрушение называется гидравлическим разрывом пласта. Плотность бурового раствора должна быть такой, чтобы совместно с другими технологическими факторами и приемами можно было обеспечить достаточное противодавление на проходимые пласты, но в то же время она не должна заметно ухудшать условия работы долота и эксплуатационные характеристики продуктивных горизонтов. Иными словами, в каждом конкретном случае должно выбираться оптимальное значение плотности бурового раствора. Для измерения плотности буровых растворов используют ареометр АБР. Ареометр АБР-1 состоит из следующих основных частей: съемного груза, мерного стакана, поплавка со стержнем (рисунок 4.1). К поплавку крепится мерный стакан с помощью штифтов. На стержне имеются две шкалы: основная, по которой измеряют плотность раствора, и поправочная, по которой определяют поправку по воде. Прибор включает в себя ведерко для воды. Крышка ведерка служит пробоотборником для раствора. Порядок работы: при измерении плотности бурового раствора используют как пресную, так и минерализованную воду; при использовании пресной воды плотностью 1 г/см3 чистый мерный стакан с объемом пробы (78,5?1) см3 заполняют буровым раствором, и соединяют с поплавком поворотом последнего до упора; стакан снаружи тщательно обмывают водой, погружают его в ведро с водой и делают отсчет плотности по основной шкале (по делению, до которого ареометр опустился в воду); при использовании минерализованной воды делают поправку (по поправочной шкале) на ее плотность, для чего заполняют мерный стакан водой и соединяют его с поплавком. Предел допускаемой дополнительной погрешности при изменении температуры испытуемого раствора на каждые 10 0С, начиная с (202) 0С - не более 2 кг/м3, при влиянии климатических факторов внешней среды на изменение температуры испытуемого раствора на каждые 10 0С, начиная с (202) 0С - не более 10 кг/м3. Калибруют ареометр чистой пресной (дистиллированной) водой при температуре (205) 0С. При этом показание прибора должно быть равно 1 г/см3.

18. Водные растворы электролитов (солей). Назначение, составы и основная область применения

Водные растворы солей (NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2) могут применяться в качестве очистных агентов в следующих случаях: при бурении в многолетнемерзлых породах (ММП);при бурении в отложениях солей;для глушения скважин при капитальном ремонте (в качестве жидкости глушения);в качестве буферной жидкости при тампонировании скважин. Водные растворы солей рационально применять только при бурении плотных, устойчивых, «сухих» мерзлых пород. Таким образом, водные растворы солей могут использоваться при проходке пластов солей, залегающих лишь в верхних интервалах скважин.

19. Сущность адсорбционно - сольватного и структурно - механического факторов, определяющих агрегативную устойчивость дисперсных систем

Молекулы воды, попадая в электрическое поле, создаваемое глинистой частицей, принимают ориентированное положение. Они группируются главным образом вокруг ионов диффузного слоя и, кроме этого, притягиваются непосредственно ядром. В результате вокруг глинистой частицы образуется гидратная оболочка (в общем случае - сольватная). По мере удаления от поверхности глинистой частицы силы, вызывающие ориентацию молекул воды, постепенно ослабевают. На некотором расстоянии от поверхности частицы действие их прекращается и молекулы воды получают свободу перемещения, независимо от глинистой частицы. Внешние границы гидратной оболочки и диффузного слоя примерно совпадают. Таким образом, о степени гидратации глинистых частиц можно судить по величине x- потенциала. Гидратные оболочки (связанная вода) обладают аномальной вязкостью, плотностью, упругостью и высокой механической прочностью. Согласно данным различных исследователей плотность связанной воды колеблется в пределах 1300…2400 кг/м3, ее растворяющая способность стремится к нулю, а вязкость в 100 раз больше, чем у свободной воды. Модуль сдвига прочносвязанной воды всего в 300 раз меньше модуля сдвига свинца. При сближении частиц дисперсной фазы в соприкосновение в первую очередь приходят их гидратные оболочки, которые, благодаря своей упругости, препятствуют сближению частиц на расстояние, где начинают преобладать силы межмолекулярного притяжения. Структурно-механический фактор (действует только при химической обработке бурового раствора). Молекулы растворенных в воде органических веществ, особенно высокомолекулярных соединений (полимеров), которые характеризуются достаточно большими размерами молекул, имеют собственные гидратные оболочки. Покрывая поверхность частиц дисперсной фазы, они создают адсорбционно - гидратные слои, обладающие еще большей упругостью и механической прочностью, чем гидратные оболочки. Образование таких адсорбционно - гидратных твердообразных поверхностных слоев академик П.А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем. Вещества, образующие на поверхности частиц адсорбционно - гидратные слои, препятствующие агрегатированию частиц, принято называть стабилизаторами или защитными коллоидами. Частицы дисперсной фазы (глинистые частицы) имеют более или менее развитый диффузный слой катионов, гидратную оболочку и при обработке химическими реагентами на их поверхности образуются слои из молекул реагента. В результате действия всех этих факторов глинистые растворы могут сохранять свою агрегативную устойчивость в течение длительного времени (суспензии некоторых бентонитов 7…10 % - й концентрации могут без видимых изменений свойств храниться многие годы).

20. Содержание газа. Пути поступления газа в БР. Определение содержания газа прибором ПГР - 1 и методом разбавления

Промывочная жидкость может загрязняться газом при разбуривании газосодержащих пластов, в результате негерметичности всасывающей и нагнетательной линий буровых насосов, а также обработки промывочной жидкости реагентами, вызывающими ее вспенивание.Насыщение промывочной жидкости газом (аэрация) приводит к снижению ее плотности и повышению вязкости со всеми вытекающими в связи с этим возможными осложнениями, в частности, флюидопроявлениями и нарушениями устойчивости стенок скважин. Кроме этого, с увеличением концентрации газа в промывочной жидкости ухудшается и работа буровых насосов. Концентрацию газа (С0, %) можно определить с помощью прибора ПГР-1. Принцип действия прибора основан на свойстве газов сжиматься под действием избыточного давления, создаваемого в масляной камере корпуса и передаваемого на исследуемую промывочную жидкость через резиновый разделитель при вращении маховика и гайки, приводящем к опусканию штока и растягиванию сильфона. Метод разбавления: метод основан на уменьшении объема бурового раствора в результате удаления газа из пробы раствора, разбавленного водой. Порядок работы: в мерный цилиндр с притертой пробкой налить 50 см3 бурового раствора, отмеренного мензуркой, вылить в цилиндр 200 см3 воды, предварительно обмыв этой водой мензурку из под бурового раствора. Закрыть цилиндр с разбавленным раствором притертой пробкой, энергично взбалтать в течение 1 минуты и оставить в покое на некоторое время. После опадения пены отметить объем жидкости в цилиндре. Концентрацию газа вычисляют по формуле:

Cо=(250-vж)*2

Где:Co-концентрация газа,%;250-суммарный объем бурового раствора с газом и водой,см3; vж-объем бурового раствора и воды после удаления газа,см3.

21. Компонентные составы и области применения ингибированных БР

Общее назначение - бурение скважин в глинистых и глиносодержащих породах, которые теряют устойчивость и диспергируются при взаимодействии с дисперсионной средой обычных буровых растворов на водной основе.

Основные разновидности ингибированных буровых растворов:известковые;гипсоизвестковые;хлоркалиевые;гипсокалиевые;хлоркальциевые;малосиликатные;алюмокалиевые. Обязательный компонент - реагенты-ингибиторы, замедляющие гидратацию, набухание и диспергирование глин. Общими компонентами для всех перечисленных выше видов ингибированных буровых растворов являются следующие:глина; вода; смазочные добавки; пеногасители (кромемалосиликатного).

22. Факторы, обусловливающие сохранение кинетической (седиментационной) устойчивости разбавленных и концентрированных суспензий

При небольшой концентрации дисперсной фазы гетерогенные системы сохраняют свою кинетическую устойчивость благодаря броуновскому движению - беспорядочному, хаотичному движению коллоидных частиц (мицелл), связанному с тепловым движением молекул дисперсионной среды. Кроме броуновского движения, другими факторами, влияющими на кинетическую устойчивость разбавленных суспензий, являются: степень дисперсности частиц твердой фазы;вязкость дисперсионной среды;различие плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Кинетическая устойчивость гетерогенных систем при относительно высоком содержании частиц дисперсной фазы обеспечивается прочностью образующейся в результате сцепления этих частиц пространственной структуры, именуемой гелем.

23. Псевдопластичные БР, их реологическая модель и показатели реологических свойств

Основными особенностями полимерных растворов, определяющими их успешное применение для целей бурения, являются: Псевдопластичные свойства, благодаря которым полимерные растворы обладают хорошей очистной, несущей (транспортирующей) и удерживающей способностью. Это обеспечивается тем, что при малых скоростях сдвига, имеющих место в затрубном пространстве скважин, вязкость полимерных растворов во много раз превышает вязкость воды, а при высоких скоростях сдвига, характерных для промывочных каналов долот, их вязкость близка к вязкости воды. Реограмма псевдопластичной жидкости проходит через начало координат и обращена выпуклостью к оси касательных напряжений сдвига. Отношение t/g (вязкость) такой жидкости при увеличении скорости сдвига уменьшается.

ППЖ - t = k(g)n

где k - показатель консистенции; n - показатель неньютоновского поведения (модель Оствальда - де Ваале);

24. Сущность гидропневматического способа удаления продуктов разрушения. Способы аэрации. Разновидности газожидкостных смесей и их отличительные признаки

При комбинированном способе продукты разрушения удаляются из скважины потоком газожидкостной смеси (ГЖС) при одновременной работе бурового насоса и компрессора. К ГЖС относятся: пены;аэрированные промывочные жидкости (АПЖ). Аэрацией называется процесс насыщения жидкости воздухом, реже другими газами. При этом газообразная фаза рассматривается как дисперсная, а жидкая - как непрерывная дисперсионная среда. Объемное соотношение газообразной VГ и жидкой VЖ фаз называется степенью аэрации a = VГ / VЖ. Для АПЖ a < 60, для пен a = 60…300. Способы приготовления АПЖ и пен: Механический способ обеспечивает аэрацию жидкости с помощью компрессорных установок и специальных устройств - аэраторов (пеногенераторов).Эжекционный способ. При этом способе жидкость аэрируется путем засасывания воздуха из атмосферы с помощью специальных эжекторных смесителей. Химический способ обеспечивает вспенивание (аэрацию) жидкости при обработке ее ПАВ - пенообразователями и перемешивании. Комбинированный способ сочетает механический (эжекционный) и химический способы аэрации. Комбинированный способ аэрации является самым распространенным и эффективным, так как в присутствии ПАВ-пенообразователей существенно улучшаются условия диспергирования газа и повышается стабильность (устойчивость) всей дисперсной системы.

25. Главные отличительные признаки глин и их химический состав. Основные глинистые минералы. Структурные элементы кристаллической решетки основных глинистых минералов

Главными признаками глин являются высокодисперсное состояние, характеризующееся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, гидрофильность (активное взаимодействие с водой), способность к адсорбции, ионному обмену, набуханию и проявлению упруго-вязко-пластичных и тиксотропных свойств в концентрированных и разбавленных суспензиях. Перечисленные признаки глин определяются химическим составом, типом кристаллической решетки, её несовершенством и дефектами, а также размерами и формой частиц глинистых минералов. На основании различий в химическом составе, строении кристаллической решетки и свойствах глинистые минералы объединяют в четыре основные группы, получившие название по ведущему минералу: группа монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, сапонит, гекторит, соконит, нонтронит и др.);группа гидрослюды (гидромусковит, гидробиотит);группа каолинита (каолинит, диккит, накрит, галлуазит);группа палыгорскита. Кристаллическая решетка большинства глинистых минералов состоит из двух структурных элементов: слоев алюмокислородных октаэдров и слоев кремнекислородных тетраэдров (рис. 4.25). Эти слои, чередуясь, образуют пакеты. По числу тетраэдрических слоев в пакете различают следующие два типа кристаллических решеток глинистых минералов: двухслойные, состоящие из соединения слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородных октаэдров в соотношении 1:1 (каолинит); трехслойные, представленные теми же элементами в соотношении 2:1 (монтмориллонит, гидрослюда).

26. Содержание твердой фазы и посторонних твердых примесей (песка). Сущность методики и устройство приборов для их определения

В результате разрушения горных пород на забое скважины циркулирующий в ней буровой раствор непрерывно обогащается шламом, что приводит к росту плотности, вязкости и статического напряжения сдвига бурового раствора со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями: снижение механической скорости бурения и проходки на долото;снижение ресурса работы гидравлического оборудования (буровых насосов, вертлюгов);увеличение вероятности возникновения различного рода осложнений, аварий и др. Увеличение содержания твердой фазы в БР на 1 % за счет обогащения его шламом снижает показатели работы долот на 7…10 % (главным образом за счет роста вязкости).Если к этому еще прибавить неизбежные затраты на регенерацию свойств БР вследствие обогащения его шламом (разбавление водой, ввод реагентов - разжижителей и т.д.), то обязательность очистки БР от шлама не вызывает никаких сомнений. Следует отметить, что эффективная очистка БР возможна только при искусственном ускорении оседания шлама, что легче всего достигается при вибрациях или за счет центробежного эффекта. Концнтрацию тв. фазы измеряют прибором ТФН-1(нагреватель ,конденсатор, испаритель, измерит-й цилиндр) Установка ТФН-1 предназначена для определения процентного содержания твердой фазы, нефти и воды, а также специально для определения содержания нефти в эмульсионных буровых растворах, что необходимо для регулирования свойств бурового раствора и управления очистными устройствами. Порядок работы:Налить 50 г бурового раствора в предварительно высушенную и взвешенную фарфоровую чашку; - взвесить чашку с раствором, поместить ее в сушильный шкаф и сушить на верхней полочке при температуре приблизительно 100°С до постоянной массы; - первое взвешивание произвести примерно через 6 часов, повторные - через 1 час, масса считается постоянной, если разность между двумя последовательными взвешиваниями менее 0,01 г; пробы перед каждым взвешиванием выдерживать в эксикаторе с безводным хлористым кальцием до охлаждения

27. Водные растворы ПАВ. Сущность эффекта Ребиндера

Поверхностно-активными называются такие вещества, которые способны адсорбироваться (концентрироваться) на поверхностях раздела фаз и понижать вследствие этого их поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ имеют дифильное (двойственное) строение. Их принято изображать в виде головастика, у которого головка полярная (гидрофильная), а хвостик - неполярный (гидрофобный). Добавки ПАВ к технической воде позволяют: Интенсифицировать процесс разрушения горных пород на забое. Это объясняется следующим. В процессе бурения горная порода в зоне контакта с долотом покрывается сетью макро- и микротрещин, которые после снятия нагрузки смыкаются и таким образом, работа, затраченная на их образование в последующем не используется для облегчения разрушения горных пород. При адсорбции ПАВ на поверхности таких микротрещин, их смыкание предотвращается, обеспечивая тем самым как бы понижение прочности горных пород в зоне предразрушения (эффект П.А. Ребиндера, 1928 г.). Область применения водных растворов ПАВ та же, что и у технической воды. Однако их преимущества говорят о необходимости и целесообразности добавок ПАВ к технической воде (полимерным и другим растворам) практически во всех случаях, когда это возможно (исключение: бурение в зонах поглощений и вскрытие водоносных горизонтов хозяйственно-питьевого назначения). ПАВ рекомендуется вводить в буровой раствор и перед вскрытием нефтяных пластов.

28. Строение и особенности кристаллической решетки и свойств монтмориллонита. Обменные катионы, обменная способность глин, общая величина обменного комплекса

Состоит из октаэдрического алюмокислородного слоя, заключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вершины которых повернуты к внутреннему слою. Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов монтмориллонита покрыты атомами кислорода, поэтому связь между пакетами слабая (действуют лишь ван-дер-ваальсовы или силы межмолекулярного взаимодействия). В этой связи молекулы воды или других полярных жидкостей могут свободно проникать между пакетами монтмориллонита и раздвигать их. Важнейшей особенностью кристаллической решетки монтмориллонита является замещение 1/6 части атомов алюминия в среднем слое атомами магния, которое происходило в процессе образования глины. Способность глинистых минералов поглощать ионы из окружающей среды и выделять эквивалентное количество других ионов, находящихся в данном минерале в обменном состоянии, называется обменной способностью глин.

29. Седиментационная устойчивость БР. Показатели оценки, методика их определения

Кинетическая (седиментационная) устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять действию силы тяжести, т.е. удерживаться во взвешенном состоянии равномерно распределенными по всему объему.

При небольшой концентрации дисперсной фазы гетерогенные системы сохраняют свою кинетическую устойчивость благодаря броуновскому движению - беспорядочному, хаотичному движению коллоидных частиц (мицелл), связанному с тепловым движением молекул дисперсионной среды. Кроме броуновского движения, другими факторами, влияющими на кинетическую устойчивость разбавленных суспензий, являются: 1)степень дисперсности частиц твердой фазы;2) вязкость дисперсионной среды;3) различие плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Кинетическая устойчивость гетерогенных систем при относительно высоком содержании частиц дисперсной фазы обеспечивается прочностью образующейся в результате сцепления этих частиц пространственной структуры, именуемой гелем.

30. Полимерные растворы. Понятие о псевдопластичности, флокуляции, эффекте Томса

Полимерными называются водные растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ), молекулы которых построены путем многократного повторения одного и того же звена - мономера.Например, мономер ПАА:

- CH2 - CH - c

CONH2. Если в молекуле чередуются разные мономеры, то такое ВМВ называется сополимером. Молекулярный вес ВМВ может достигать нескольких миллионов (до 10… 14). ВМВ могут быть полиэлектролитами и неэлектролитами. К полиэлектролитам относятся реагенты на основе водорастворимых эфиров целлюлозы и на основе акриловых полимеров, которые при диссоциации в воде образуют сложный анион и простой катион. К неэлектролитам относятся крахмальные реагенты, содержащие полярные группы, не имеющие заряда. Последняя группа реагентов из-за отсутствия полиэлектролитных свойств и трудностей в хранении для получения полимерных растворов используется крайне редко. Впервые полимерные растворы начали применяться в США в начале 60-х годов, в нашей стране - спустя десятилетие. Современные системы полимерных растворов: FLO-PRO («Фло-Про»), FLO-PRO™ NT («Фло-Про Эн-Ти»), GLYDRIL («Глайдрил») и др. Основными особенностями полимерных растворов, определяющими их успешное применение для целей бурения, являются: Псевдопластичные свойства, благодаря которым полимерные растворы обладают хорошей очистной, несущей (транспортирующей) и удерживающей способностью. Это обеспечивается тем, что при малых скоростях сдвига, имеющих место в затрубном пространстве скважин, вязкость полимерных растворов во много раз превышает вязкость воды, а при высоких скоростях сдвига, характерных для промывочных каналов долот, их вязкость близка к вязкости воды.

Длинноцепочечные полимеры обладают уникальной способностью создавать на стенках скважин полимерную пленку, препятствующую проникновению фильтрата в поры горных пород. Это обусловлено проявлением полимерными растворами полиэлектролитных свойств, обеспечивающих, благодаря наличию зарядов, адсорбцию молекул полимера на стенках скважин, а также на частицах выбуренных пород. Последнее, т.е. адсорбция молекул полимера на частицах выбуренных пород, обеспечивает улучшение очистки бурового раствора от шлама вследствие процесса флокуляции. Длинноцепочечные полимеры обладают уникальной способностью снижать гидравлические сопротивления при турбулентном режиме течения (эффект Томса, 1949 г.). Экспериментально установлено, что добавки некоторых ВМВ позволяют снизить гидравлические сопротивления по сравнению с растворителем (водой) на 80 %. Полимерные растворы по своим функциональным свойствам существенно превосходят техническую воду, а в ряде случаев, и качественные глинистые растворы, т.е. являются весьма перспективными очистными агентами при бурении в условиях отсутствия флюидопроявлений (бурении при равновесии давления в системе «ствол скважины - пласт»). Недостатки полимерных растворов: низкая стойкость к действию ионов кальция и других поливалентных металлов;высокая стоимость импортных ВМВ (3…16 тыс. долларов за тонну) и дефицитность отечественных (потребности в полимерных реагентах удовлетворяются только на 40…50 %).

31. Строение кристаллической решетки и свойства гидрослюды и каолинита

Кристаллическая решетка гидрослюды подобна монтмориллониту, но имеет большее число изоморфных замещений. Так, у гидромусковита октаэдрические позиции в основном заполнены Al3+, а у гидробиотита могут быть замещены Fe2+ или Mg2+. Кроме того, у того и другого минералов в тетраэдрическом слое до 1/6 всех атомов Si4+ изоморфно замещены Al3+. Возникающий при этом отрицательный заряд компенсируется катионами К+, входящими в межпакетное пространство гидрослюд. Близкое расположение заряда, который локализован в тетраэдрическом слое, к поверхности пакета приводит к прочному ионному взаимодействию смежных пакетов с катионами К+ и молекулы воды уже не могут проникать в межпакетное пространство. Для гидрослюд обменными являются лишь катионы, расположенные на механически разорванных ребрах (гранях) кристаллической решетки, в связи с чем обменная емкость (емкость поглощения) гидрослюд составляет всего 10·10-3… 40·10-3 моль / 100 г. Гидратация слюд и некоторое увеличение их объема, которое значительно меньше, чем у монтмориллонита, происходит в результате ионообменных реакций на внешних механически разорванных гранях. Удельная поверхность гидрослюд составляет 400…500 м2/г. Каолинит имеет двухслойную кристаллическую решетку без зарядов на базальных поверхностях, что объясняется отсутствием изоморфных замещений. В алюмокислородном слое значительная часть атомов кислорода замещена группами ОН-. Атомы кислорода и гидроксил ионы смежных соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа О - Н, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки. В связи с тем, что молекулы воды и катионы не могут проникать в межпакетное пространство, каолинит трудно диспергируется, имеет малую емкость обмена 3·10-3…15·10-3моль/100г, приходящуюся на внешние механически разорванные грани (разрыв связей Si-O-Si, OH-Al-OH), и очень слабо набухает. По форме частицы каолинита представляют собой несколько вытянутые шестиугольные пластинки. Удельная поверхность каолинита оставляет всего 10…20 м2/г.

32. Показатели электрохимических свойств БР и способы их определения

К общепринятым показателям электрохимических свойств буровых растворов на водной основе относятся: водородный показатель (pH);удельное электрическое сопротивление (УЭС, Ом·м). Водородный показатель характеризует концентрацию в буровом растворе ионов водорода [Н+] (степень кислотности или щелочности буровых растворов на водной основе): pH = 7 - нейтральная среда;7 < pH ? 14 - щелочная среда;1 ? рН < 7 - кислая среда. Степень кислотности или щелочности буровых растворов оказывает существенное влияние на проявление ими других свойств. Так, изменяя величину рН, можно изменять реологические и фильтрационные свойства, ингибирующую способность буровых растворов, их седиментационную устойчивость и др. Величина рН также влияет на растворимость неорганических реагентов (солей) и эффективность действия (форму молекул) полимерных реагентов. При этом оптимальные значения рН находятся, как правило, в диапазоне от 9 до 11. Однако для щелочных сред с ростом рН увеличивается вероятность: нарушений устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми породами, за счет их дополнительного увлажнения в результате интенсификации электроосмотических процессов;химического диспергирования (пептизации) глинистых пород, что затрудняет их удаление из бурового раствора, вызывая тем самым рост его плотности, вязкости и статического напряжения сдвига;снижения естественной проницаемости продуктивных песчано - глинистых коллекторов из-за уменьшения размеров поровых каналов, обусловленного набуханием глинистой составляющей продуктивных пластов, а также из-за закупорки этих каналов мигрирующими в них глинистыми частицами. Для измерения величины рН применяют колориметрический и электрометрический способы. Колориметрический способ основан на способности некоторых красителей менять свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода и заключается в определении величины рН с помощью индикаторной (лакмусовой) бумаги и эталонных цветных шкал. Этот способ имеет невысокую точность (± 0,5 ед. рН) и ограниченную область применения (нельзя использовать для измерения величины рН окрашенных жидкостей). Электрометрический способ, в отличие от колориметрического, универсален и более точен (± 0,01 ед. рН). В основе его лежит способность некоторых веществ менять электрический потенциал в зависимости от концентрации [Н+]. Для электрометрических измерений используют специальные приборы - рН-метры.