Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский горный университет

Растворы для вскрытия продуктивных пластов

Санкт-Петербург 2018

Назначение буровых растворов

Успех бурения скважин в значительной степени зависит от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечивать безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта. Применение буровых растворов с регулируемыми свойствами оправданно и требует значительных средств с целью экономии затрат времени на работы, связанные с авариями, осложнениями, проработками и промывками, длительностью и результатами освоения [1].

Буровые растворы выполняют множество функций при строительстве скважин.

1. Охлаждение и смазка долот и бурильных труб.

В процессе бурения между долотом и разрушаемой породой, а также между вращающимся бурильным инструментом и стенками скважины возникают значительные силы трения. Благодаря присутствию промывочной жидкости коэффициент трения значительно уменьшается, а теплота, образующаяся вследствие трения, рассеивается потоком жидкости. Кроме того, на стенках скважины образуется скользкая корка, которая уменьшает силы трения труб при вращении и спускоподъемных операциях (СПО). Смазывающие добавки существенно понижают коэффициент трения.

2. Очистка забоя скважины.

Это одна из основных функций раствора, способствующая достижению максимальной скорости бурения за счет эффективной очистки забоя от выбуренной породы. Для избежания усталостного (повторного) режима разрушения забоя используются гидромониторные насадки на долоте. Наилучшие условия разрушения создаются при минимальной разнице гидростатического и порового давлений в разбуриваемых породах. Механическая скорость бурения повышается при обработке раствора поверхностно-активными веществами (ПАВ), понижающими поверхностное натяжение. Существенное влияние оказывает величина мгновенной фильтрации раствора: чем она больше, тем выше механическая скорость.

3. Вынос выбуренной породы из скважины.

Важнейшей функцией бурового раствора является удаление частиц выбуренной и обвалившейся породы из скважины на поверхность. Качество очистки скважины от шлама (скорость и степень) зависит от скорости восходящего потока, которая определяется производительностью насосов. На эффективность выноса породы влияет удельный вес, вязкость и динамическое напряжение сдвига бурового раствора. Для удаление частиц породы необходимо, чтобы скорость восходящего потока была выше скорости их осаждения.

Скорость осаждения частиц в неподвижном растворе зависит от их размеров и форм, разницы удельных весов раствора и частицы, вязкости раствора и особенно его тиксотропных свойств.

В тиксотропных растворах при прекращении циркуляции образуется достаточно прочная структура, которая препятствует осаждению частиц.

Статическое напряжение сдвига буровых растворов меняется в широких пределах, и в большинстве систем растворов легко получить структуру такой величины, при которой любая частица нормального удельного веса остается во взвешенном состоянии

4. Формирование на стенках скважины малопроницаемой фильтрационной корки.

Под влиянием разницы гидростатического давления столба раствора и пластового давления на стенках скважины образуется фильтрационная корка из твердой фазы раствора.

В верхней части геологического разреза скважин корка консолидирует несцементированные пески и обеспечивает их устойчивость. Одновременно, корка фактически разобщает скважину и проницаемые пласты. Однако при большой величине водоотдачи на стенке скважины образуется толстая фильтрационная корка, что отрицательно влияет на состояние скважины. Во первых, велика вероятность дифференциального прихвата; во вторых, на толстую и рыхлую корку, как правило, прилипает шлам, происходит сужение ствола скважины с последующими осложнениями (затяжки, прихваты при подъеме). Одновременно, при большой величине водоотдачи в продуктивный пласт поступает большое количество фильтрата на большую глубину. Это приводит к существенному снижению проницаемости пласта при последующей эксплуатации скважины, поэтому величина водоотдачи, включая забойную, должна быть как можно меньше и, жесткое регламентирование этого показателя в программах и проектах вполне обоснованно. Наиболее эффективными системами для предупреждения указанных осложнений являются полимерные растворы с низким содержанием твердой фазы.

5. Предупреждение нефте-, газо- и водопроявлений.

Давление жидкости или газа, содержащихся в проницаемых пластах, зависит от глубины их залегания и ряда других факторов. Давление бывает нормальным для данной глубины, а может быть аномально высоким, т.е. значительно выше гидростатического. Поэтому в том и в другом случае плотность бурового раствора должна быть такой, чтобы давление столба раствора было несколько выше пластового давления и препятствовало перетоку жидкости или газа из пласта в скважину как при бурении, так и во время СПО.

Требуемая величина плотности бурового раствора, в зависимости от пластового давления и глубины залегания пласта, четко регламентируется правилами ведения работ.

6. Предупреждение обвалов.

Осыпи и обвалы неустойчивых глин являются основными видами осложнений, возникающих при бурении. Многие скважины не были добурены до проектных глубин из-за этих осложнений. Роль буровых растворов в этих условиях трудно переоценить, все зависит от состава и свойств бурового раствора. В настоящее время разработаны и успешно применяются несколько специальных систем буровых растворов, позволяющих частично или полностью предотвратить осыпи и обвалы неустойчивых глин.

7. Качество вскрытия продуктивных пластов

Загрязнение продуктивных пластов при бурении - это реальный процесс, в результате которого частично обратимо (а частично необратимо, но существенно) снижается проницаемость пластов. Иногда происходит полная закупорка пласта, и вызвать приток удается только с помощью специальных методов интенсификации. Мировой наукой и практикой установлено, что все компоненты бурового раствора (твердые и жидкие) активно взаимодействуют с продуктивным пластом.

8. Сокращение затрат на крепление.

С применением качественного бурового раствора заданного состава и свойств, производится одновременное успешное вскрытие отложений, отличающихся по характеру возможных осложнений. Таковыми могут быть водо- и газопроявляющие горизонты и неустойчивые глины, надсолевые, солевые и подсолевые отложения. С применением соответствующего раствора нет необходимости спускать дополнительные промежуточные колонны с целью разобщения потенциально несовместимых горизонтов. Нередко в определенных геологических условиях за счет применения качественного раствора обходятся без промежуточных колонн - после кондуктора следующая колонна является эксплуатационной. Экономия обсадных труб требует дополнительных затрат для поддержания состава и свойств бурового раствора на заданном уровне.

9. Получение информации.

При хорошей организации аналитического контроля на скважине циркулирующий буровой раствор несет немаловажную информацию о геологическом разрезе скважины. Источниками информации являются выносимые раствором шлам, газ и флюиды (вода, нефть). Изучение шлама, изменившегося состава раствора (разгонка) и его фильтрата позволяет определить минералогическую природу разбуриваемых пород, тип и состав поступившей в раствор жидкости или газа.

Интерпретация текущей информации, полученной по результатам исследований бурового раствора позволяет соответственно принимать решение и сократить объем и затраты времени на проведение дорогостоящих геофизических работ.

10. Коррозионная агрессивность.

Установлено, что коррозия является главной причиной повреждения бурильных колонн. К сожалению, в отечественной практике при бурении практически не уделяется внимание коррозии. В мировой практике за коррозией бурильных труб следят при помощи стальных колец, установленных в специальных проточках в муфте бурильного замка. Через определенное время воздействия бурового раствора определяют снижение массы этих колец.

Часто выявление вида коррозионного воздействия оказывается более важным, чем контроль потери веса колец. Так, точечная коррозия не вызывает большой потери веса, но может стать причиной аварии. Причиной слома бурильных труб может служить водородное охрупчивание. Вот почему при составлении программ по буровым растворам следует учитывать источники корродирующих веществ, их состав и обязательно включать в состав бурового раствора ингибиторы ожидаемых видов коррозии.

11. Техника безопасности и экология.

Часть ингредиентов бурового раствора и поступающих из пласта шлама, жидкостей и газа содержат вещества, представляющие опасность для персонала и окружающей среды. Особенно опасными являются нередко встречающиеся пласты, содержащие токсичные кислые газы (сероводород и др.), которые могут вызывать непоправимый физический ущерб.

Последнее время при разработке рецептур буровых растворов серьезное внимание уделяется вышеуказанным вопросам. Так, для массового бурения созданы экологически чистые, биологически разлагаемые полимерные системы.

При вскрытии пластов, содержащих токсичные газы, разработаны специальные реагенты, которые полностью связывают эти вещества во время движения раствора от забоя до поверхности.

Далее представлены основные параметры буровых растворов и методика их определения виде лабораторных работ.

Лабораторная работа 1

Определение плотности буровых растворов

Цель работы. Определение плотности бурового раствора.

Плотность промывочной жидкости - это масса единицы ее объема. Изменением плотности раствора регулируют гидростатическое давление на забой и стенки скважины, что важно при борьбе с осложнениями (поглощениями, фонтанированием, обвалами). Для нормальных условий бурения величина плотности 1050-1300 кг/м3.

Увеличение плотности вызывает повышение расхода энергии на прокачивание раствора и увеличение его потерь в трещиноватых и пористых породах.

Плотность бурового раствора можно определить, используя любой прибор, позволяющий производить измерение с точностью до 0,01 г/см3. Такими приборами являются рычажные весы фирм «BAROID», «FANN» и др. По стандарту API плотность бурового раствора измеряют в фунтах/галлон, фунтах/фут3, г/см3. Помимо рычажных весов можно использовать ареометр.

Ареометр АБР-1 предназначен для определения плотности глинистых и цементных растворов в полевых условиях. Плотность можно замерять в пресной, морской и в технической воде с учетом поправки на плотность рабочей воды, отличной от 1 г/см3 по поправочной шкале стержня. Ареометр АБР (рис. 1) состоит из мерного стакана 5, донышка 6, поплавка 7, стержня 8 и съемного груза 1. Мерный стакан имеет две полости - емкость для пробы замеряемого раствора и компенсационную камеру. В компенсационной камере размещается металлический балласт 4, необходимый для устойчивости погруженного в воду прибора, и компенсационный груз 3 (чугунная дробь) для тарировки. Дробь и балласт изолируются заглушкой 2. В верхней части стакана расположены прорези для слива излишков раствора. Плавучесть ареометра обеспечивает поплавковая камера. Она состоит из поплавка 7 и донышка 6. Стержень 8 изготовлен из дюралевой трубки и крепится к поплавку на резьбе эпоксидным клеем. Трубка сверху закрывается полиэтиленовой пробкой 10. Съемный груз 1, обеспечивающий два диапазона измерения ареометром, представляет собой стальную арматуру, залитую снаружи полиэтиленовой оболочкой. Он закрепляется на приборе посредством резьбового соединения.

На поверхности стержня нанесены две шкалы 11 для измерения плотности в пределах 0,9-1,7 г/см3 и 1,6-2,4 г/см3, а также поправочная шкала. При измерениях по второй шкале (утяжеленные растворы) груз 1 снимают. При выполнении опыта ареометр погружают в ведерко 9, имеющее емкость 3,5 л.

Подготовка к работе. Перед проведением опыта необходима тарировка прибора. Для этого в мерный стакан ареометра с надетым калиброванным грузом наливают воду плотностью (1000 1) кг/м3 и погружают прибор в ведро с водой такой же плотности, предварительно перевернув пробку на стержне ареометра.

При отклонении показаний ареометра от отметки (010) кг/м3 поправочной шкалы снимают отклонения показаний и вносят поправку в результат измерения, либо в пробку засыпают металлическую дробь диаметром 2-3 мм до тех пор, пока показания прибора по поправочной шкале не станут равными (0 10) кг/м3. После этого дробь высыпают в стержень ареометра и закрывают его пробкой.

Выполнение работы. Отделить донышко поплавка от мерного стакана, донышко и стакан промыть водой и насухо вытереть. Налить в ведро чистую воду (пресную или морскую), имеющую температуру 20 5 С, при этом уровень воды в ведре с погруженным в нее ареометром должен находиться ниже края ведра не более чем на 5 мм.

В мерный стакан ареометра налить воду из ведра, в котором производится замер, стакан при этом держать вертикально. Соединить донышко со стаканом поворотом до упора.

Погрузить ареометр в ведро и вращением стержня согнать воздушные пузырьки. При стабильном положении прибора прочесть и записать показания и знак поправки по поправочной шкале.

Извлечь прибор из ведерка, отсоединить стакан от донышка и вылить воду в ведро. Протереть внутреннюю часть стакана от капель воды.

Залить в мерный стакан ареометра предварительно приготовленный глинистый раствор и соединить стакан с поплавком.

Погрузить ареометр в ведерко с водой, вращением стержня согнать пузырьки воздуха и по делению основной шкалы, до которого ареометр опуститься в воду, прочесть значение плотности промывочной жидкости. При надетом калиброванном грузе отсчет брать по левой шкале с оцифровкой от 0,9 до 1,7 г/см3. Если ареометр при надетом калибровочном грузе погрузится так, что шкала окажется под уровнем воды в ведре, то следует снять груз и отсчет брать по правой части основной шкалы с оцифровкой от 1,7 до 2,6 г/см3.

Плотность промывочной жидкости равна алгебраической сумме показаний основной и поправочной шкал. Для достоверности результатов измерений необходимо провести не менее трех опытов.

Весы рычажные предназначен для измерения плотности буровых, цементных растворов и жидких химических реагентов, нейтральных к алюминию и имеющих температуру от плюс 5 до плюс 80 єС. Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают рычажные весы, которые обеспечивают достаточную точность измерений и надежны в работе в сложных полевых условиях независимо от колебаний температуры. Рычажные весы позволяют определять плотность в диапазоне 0,9 - 2,4г/см3. Рычажные весы (рис. 2) состоят из следующих составных частей: подставки 8 и подвижной части, состоящей из рычага 5, жестко закрепленного с мерным стаканом 1, на который надевается крышка 2. Соединение подвижной части весов с подставкой осуществляется с помощью одной из призм 4, укрепленной на рычаге и вкладыша, укрепленного на подставке 8.

На рычаге весов расположены две шкалы с диапазонами измерений: по верхней шкале от 0,8 до 1,6 г/см3; по нижней шкале от 1,6 до 2,6 г/см3.

Замеры по верхней шкале осуществляются путем установки весов на правую призму и перемещения движка 7, замеры по нижней шкале осуществляются путем установки весов на левую призму и перемещения движка 7. Принцип работы рычажных весов основан на уравновешивании моментов левого и правого плеча подвижной части весов относительно опоры на призмах. Весы считаются уравновешенными, если пузырек ампулы уровня 3, прикрепленного на рычаге, находится между двумя центральными рисками ампулы. Тарировка прибора осуществляется с помощью винта 6.

Подготовка к работе. Установить подставку 8 весов на столе. Промыть мерный стакан 1 водой, протереть насухо, подготовить пробу раствора.

Порядок выполнения работы. Залить раствор в мерный стакан до верхней кромки и закрыть крышкой. Излишки раствора вытекающие через специальное отверстие в крышке, удаляются сухой тряпкой. Установить подвижную часть весов с помощью правой призмы. Передвигая движок 7, установить рычаг 5 в положение равновесия и прочесть показание плотности раствора по верхней шкале. Если плотность раствора окажется большей, чем предел измерения по верхней шкале, то подвижную часть весов необходимо переставить на левую призму и вести измерения по нижней шкале, перемещая движок влево и вправо. После замера снять крышку 2 и вылить раствор из стакана 1. Промыть мерный стакан и крышку водой.

Калибровка. Весы для измерения плотности бурового раствора следует часто калибровать пресной водой. Пресная вода при температуре 21 ?С имеет плотность 1,00 г/см3 (8,33 фунта/галлон или 62,3 фунта/фут3 по американской и британской системе измерения). Для получения такого результата на пресной воде добавьте или убавьте свинцовую дробь из конца коромысла или отрегулируйте установленный винт.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.

Лабораторная работа 2

Определение вязкости буровых растворов

Цель работы. Определить условную вязкость бурового раствора с помощью вискозиметра.

Вязкость - один из важнейших параметров промывочной жидкости. Она определяет не только величину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе скважины, но и характер, и величину проникновения промывочной жидкости в поры и трещины горных пород. С ростом вязкости ухудшаются условия очистки забоя скважины от шлама и резко падает механическая скорость бурения.

Вязкость буровых растворов должна быть минимальной, но достаточной для удержания во взвешенном состоянии частиц выбуренной породы и утяжелителя при данной плотности бурового раствора. В полевых условиях измеряют так называемую условную вязкость (Т500, с), которая определяется временем истечения 500 см3 (по стандартному полевому вискозиметру СПВ -5) промывочной жидкости через вертикальную трубку вискозиметра. Верхний предел вязкости должен составлять Т500 ? 30 с для раствора с плотностью с ? 1400 кг/м3, Т500 ? 45 с для раствора с с > 1400 кг/м3. Условная вязкость - это время истечения бурового раствора из специальной воронки через трубку с калиброванными диаметром и длиной. Объемы заполнения воронки и истечения из нее стандартизованы.

Оборудование. Для измерения условной вязкости буровых растворов используется следующее стандартное оборудование:

1. Вискозиметр «Воронка Марша» (США) состоит из воронки объемом 1500 мл со встроенной сеткой и мерной кружки на 1000 мл с круговой отметкой 1 кварты (946 мл). Время истечения 1 кварты (946 мл) пресной воды при 20 °С ± 0,5°С составляет 26 ± 0,5 с.



Рис.3. Вискозиметр «Воронка Марша»

2. Вискозиметр СПВ-5 (Россия) - состоит из воронки объемом 700 мл и мерной кружки на 500 мл. К воронке прилагается съемная сетка для очистки раствора от крупного шлама. Постоянная вискозиметра (время истечения 500 мл пресной воды) при температуре 20 °С ± 0,5°С составляет 15 с.

Порядок выполнения работы. Процедура замера условной вязкости обеими воронками идентична.

1. Закройте нижнее отверстие воронки пальцем и через сетку влейте буровой раствор так, чтобы его уровень касался сетки.

2. Уберите палец с отверстия и засеките время вытекания 0,5 литра (одной кварты) раствора из воронки.

3. Время вытекания раствора в секундах есть не что иное, как условная вязкость.

4. Отметьте температуру измеряемой пробы.

За условную вязкость промывочной жидкости принимается среднее значение результатов трех измерений, отличающихся между собой не более чем на 2 секунды. После каждого измерения мерную кружку и воронку с сеткой необходимо ополаскивать водой.

Периодически проводят проверку постоянной вискозиметра: воронку подвешивают на стойке в вертикальном положении, закрывают отверстие пальцем и заливают в воронку дистиллированную воду (допускается использование чистой пресной воды). Под трубку вискозиметра ставят мерную кружку, открывают отверстие трубки и по секундомеру отсчитывают время истечения воды из прибора. По трем замерам определяют среднее значение условной вязкости.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.



Лабораторная работа 3

Определение содержания песка в буровом растворе

Цель работы. Определить содержание песка в глинистом растворе.

Содержание песка в растворе характеризует загрязненность его грубодисперсными частицами, попавшими вместе с исходным сырьем (глиной), а также в результате разрушения горных пород в процессе бурения. Наличие песка в растворе свыше 4 % приводит к интенсивному износу деталей буровых насосов, бурового снаряда и другого гидравлического оборудования.

Оборудование. Лабораторная глиномешалка, весы с разновесами, образцы глины различного качества, техническая вода, отстойник ОП-2 (или отстойник Лысенко, ОМ-2), комплект для определения содержания песка (по стандарту API). Отстойник ОП-2. Пластиковый отстойник ОП-2 (рис.5) представляет собой цилиндрический сосуд 2 со стеклянной пробиркой 3 в нижней части. На боковой поверхности пробирки нанесена шкала с ценой деления 0,1 см3. Пробирка крепится к нижней части цилиндра 2 с помощью винта 5, перекладины 4. Сверху отстойник закрывается крышкой 1 объемом 50 см3, которая используется как мерный сосуд. В верхней части цилиндра имеется отверстие, объем цилиндра ниже отверстия составляет 500 см3.

Порядок выполнения работы. В отстойник ОП-2 или ОМ-2 заливают сначала 200-300 см3 воды, далее 50 см3 испытываемой жидкости, затем доливают воду, пока она не начнет выливаться через отверстие. Надев крышку и прикрывая пальцем боковое отверстие, переворачивают несколько раз отстойник, перемешивая содержимое. После этого отстойник устанавливают в вертикальное положение и оставляют в покое на 1 мин. За это время из раствора оседают частицы размером более 0,02 мм. По делениям на пробирке определяют объем осевших частиц в см3. Полученный результат умножают на два. Это будет содержание песка в %. Прибор для измерения содержания песка. Комплект включает в себя сетку размером ячеек 200меш (74мкм), воронку и стеклянную мерную пробирку, проградуированную в процентах (рис.6).

Рис. 6. Комплект для определения содержания песка

Порядок выполнения работы. Для измерения показателя, при помощи комплекта для определения содержания песка, влейте в пробирку раствор до отметки “Mud to here”, а затем добавьте воды до отметки “Water to here”. Закройте горлышко пробирки пальцем и хорошо встряхните ее. Вылейте смесь через сетку и смойте с нее все остатки чистой водой. Чтобы облегчить смывание, постукивайте по ребру сетки пальцем. Если на сетке остается что-нибудь, не проходящее через нее, не нужно раздавливать этот остаток и силой продавливать через сетку, т.к. это даст неправильный результат и может привести к разрыву сетки. Смойте песок, оставшийся на сетке, струей воды, чтобы смыть с него буровой раствор. Установите воронку поверх сетки, затем медленно ее переверните и, вставив носик воронки в пробирку, смойте песок с сетки тонкой струей воды. Подождите, пока осядет песок. Запишите объем песка в пробирке в процентах. Тщательно промойте сетку и пробирку.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.

Лабораторная работа 4

Определение стабильности и суточного отстоя промывочной жидкости

Цель работы. Определение стабильности и суточного отстоя глинистых растворов.

Стабильность раствора - это способность его сохранять равномерность распределения частиц твердой фазы по всему объему. От величины стабильности глинистого раствора зависит его способность удерживать во взвешенном состоянии частицы глины, выбуренной породы (шлама) и утяжелителя.

Суточный отстой - это количество свободной воды в процентах, отстоявшейся за сутки из пробы раствора. Суточный отстой характеризует устойчивость раствора как коллоидной системы, т.е. способность в течение длительного времени не разделятся на твердую и жидкую фазы.

Приборы и материалы. Лабораторная глиномешалка, весы с разновесами, образцы глины различного качества, техническая вода, мерный стеклянный цилиндр объемом 100 см3, стеклянная крышка, стеклянная палочка для размешивания раствора, цилиндр ЦС-2, ареометр АГ-3ПП, две кружки вместимостью 0,5 л.

Прибор ЦС-2 (рис.7) представляет собой металлический цилиндр 1 объемом 800 см3 и высотой 200 мм. В середине боковой поверхности цилиндра имеется отверстие с резиновой пробкой 2 для слива раствора.

Порядок выполнения работы. Определение суточного отстоя. Мерный цилиндр объемом 100 см3 с ценой деления 1 см3 моют водой и вытирают насухо снаружи и внутри. Тщательно перемешанную пробу испытываемого раствора заливают в цилиндр до отметки «100», закрывают сверху стеклянной крышкой, ставят и засекают время. Через 24 ч по шкале цилиндра определяют объем отстоявшейся воды О1. Суточный отстой:

О = 100 О1, %.

При измерениях трех проб раствора для ускорения работы необходимо иметь три цилиндра и опыты проводить одновременно. Данные измерений записать в таблицу. Для нормальных глинистых растворов суточный отстой не должен превышать 4 %.

Определение стабильности раствора. Цилиндр ЦС-2 моют водой и вытирают насухо снаружи и внутри, закрывают отверстие резиновой пробкой. Тщательно перемешивают пробу раствора, заполняют ею цилиндр до краев, закрывают цилиндр стеклянной крышкой и засекают время. Через 24 ч открывают пробку и сливают верхнюю часть раствора вместе с отстоявшейся водой в кружку, тщательно перемешивают слитый раствор и определяют его плотность с1 ареометром. Закрывают отверстие цилиндра пробкой, перемешивают нижнюю половину раствора и определяют его плотность с2. При обоих измерениях необходимо пользоваться одним ареометром.

Стабильность определяют по формуле:

, кг/м3

Данные измерений занести в таблицу. Для нормального раствора стабильность не должна превышать 20 кг/м3 (0,02 г/см3).

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.

Лабораторная работа 5

Измерение реологических параметров промывочных жидкостей

Цель работы. Определить динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость бурового раствора.

В связи с тем, что буровой раствор в процессе бурения скважин находится в состоянии движения, необходимо знать его реологические характеристики в динамическом режиме. Для этой цели созданы вискозиметры ротационного типа, в которых создаются сдвиговые напряжения в щелевом кольцевом зазоре, наиболее близко моделирующие течение бурового раствора в условиях скважины. Все ротационные вискозиметры конструктивно имеют один и тот же измерительный узел вертикального исполнения - цилиндр (боб) на подвесе, соединенный с измерительной пружиной, расположенной коаксиально в полом цилиндре. Между бобом и полым цилиндром имеется щелевой зазор, в котором и возникают исследуемые сдвиговые напряжения при вращении полого цилиндра. Сдвиговые напряжения оцениваются по углу закручивания бобом измерительной нити, который отображается на шкале измерительного диска.

Законы течения и деформации любого тела - предмет изучения реологии. Цель реологии - составить такую систему уравнений, которая бы связывала напряжения, деформации, скорости деформаций и была применима для любых тел. Поведение тела под воздействием внешних сил определяется его внутренней структурой, величиной и скоростью возникновения напряжений, характером их изменения.

Реологические свойства промывочных жидкостей относятся к числу важнейших, т.к. они оказывают существенное влияние практически на все показатели и процессы, связанные с бурением скважин. В частности, реологические свойства в значительной мере определяют степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждение породоразрушающего инструмента, транспортирующую способность потока промывочной жидкости, величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины и гидродинамического давления на её стенки и забой в процессе бурения; амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении спуско-подъемных операций (СПО) и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны; интенсивность обогащения промывочной жидкости шламом, полноту её замещения тампонажным раствором в кольцевом пространстве между обсадной колонной и стенками скважины и др.

Перечень показателей, которыми характеризуют реологические свойства промывочных жидкостей, определяется выбором реологической модели, т.е. уравнения, описывающего связь между возникающими в жидкости напряжениями и скоростью её деформации или скорости сдвига .

Большой интерес для инженеров по буровым растворам представляют следующие модели течения (рис. 8): ньютоновская, бингамовская, псевдопластичная и степенная (дилатантная). Каждая из этих моделей связывает скорость течения (скорость сдвига) с давлением течения (напряжением сдвига), когда раствор имеет ламинарный режим течения.

Первой реологической моделью, использованной для описания реологического поведения глинистых суспензий, была модель Бингама-Шведова:

, Па

где 0 - динамическое напряжение сдвига, Па; - пластическая (структурная) вязкость, Пас.

Среди известных реологических моделей буровых растворов наибольшим распространением в отечественной и зарубежной практике пользуются модели Бингама - Шведова и Оствальда -де Ваале.

Динамическое напряжение сдвига косвенно характеризует сопротивление промывочной жидкости, возникающее при инициировании её течения. С увеличением динамического напряжения сдвига увеличивается удерживающая способность промывочной жидкости, но вместе с тем возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины, амплитуда колебаний давления при пуске и остановке насосов и выполнении СПО, а также вероятность образования застойных зон с аккумуляцией в них выбуренной породы.

Для удовлетворительного гидротранспорта шлама на дневную поверхность ламинарным потоком и предотвращения выпадения утяжелителя в поверхностной циркуляционной системе достаточно иметь величину динамического напряжения сдвига 0 = 1,5ч2,0 Па.

Пластическая (структурная) вязкость промывочной жидкости характеризует темп роста касательных напряжений сдвига при увеличении скорости сдвига. С увеличением пластической вязкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины и снижается ресурс работы насосов, а также доля гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и долоту. Верхний предел вязкости должен составлять з ? 0,006 Па•с для раствора с плотностью с ? 1400 кг/м3, 0,01 Па•с для раствора с с > 1400 кг/м3. Для неутяжеленных буровых растворов на базе бентонитовых порошков з ? 0,002 Па•с.

Оборудование. Ротационные вискозиметры по принципу действия бывают ручные и электрические. В настоящее время имеется широкий выбор моделей с различными характеристиками (количество скоростей вращения, точность измерения и эксплуатационная надежность).

1. Ротационный вискозиметр «RHEOMETER FANN» (США) - ручной, 2-х скоростной (600 и 300 об/мин).

2. Ротационные вискозиметры фирм «BAROID», «OFITE» с электрическим приводом выпускаются 2-х, 6-ти, 8-ми и 12-ти скоростные (600, 300, 200, 180, 100, 90, 60, 30, 6, 3, 1,8, 0,9 об/мин).

Для полевых условий обычно применяются 2-х и 6-ти скоростные (600, 300, 200, 100, 6, 3 об/мин).

Скорости 600 и 300 об/мин можно использовать для определения кажущейся вязкости, пластической вязкости и динамического напряжения сдвига.

Рис.9 Ротационные вискозиметры: слева - шестискоростной; справа - 2-х скоростной

Порядок выполнения работы. 1. Влейте хорошо перемешанный раствор в стакан вискозиметра, установите на подвижную опору. Медленно поднимайте опору, пока уровень раствора в стакане не совместится с риской на полом цилиндре, винтом закрепите опору. 2. Включите вискозиметр в режиме перемешивания (stir). Через 10-15 секунд включите скорость 600 об/мин, дождитесь стабилизации показания на этой скорости и запишите результат. (Время зависит от характеристик бурового раствора). 3. Переключите вискозиметр на 300 об/мин, дождитесь стабилизации показаний и запишите результат.

Примечание: Переключайте скорость только при работающем двигателе. Пластическая вязкость (PV) в сПз равна разнице показаний при 600 и 300 об/мин. Динамическое напряжение сдвига (YP) в фунтах/100 фут2 равно показанию при 300 об/мин минус значение пластической вязкости. Кажущаяся вязкость (AV) в сПз (показания прибора для получения результата в дПа необходимо умножить на коэффициент 4,88) равна показанию при 600 об/мин, деленному на 2. Обязательно указывайте температуру пробы.

Пример:

Показание при 600 об/мин - 48.

Показание при 300 об/мин - 34.

AV = 48 / 2 = 24 сПз.

PV = 48 - 34 = 14 сПз.

YP = 34 - 14 = 20 фунт/100 фут2.

или = 20 * 4,88 = 97 дПа.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.



Лабораторная работа 6

Определение статического напряжения сдвига буровых растворов

Цель работы. Определить статическое напряжение сдвига (СНС) бурового раствора.

Статическое напряжение сдвига характеризует прочность структуры и определяет способность промывочной жидкости: удерживать во взвешенном состоянии частицы разрушенной породы и пузырьки газа (воздуха); проникать в трещины и поры горных пород и удерживаться там под действием нагрузок.

СНС буровых растворов должна быть минимальной, но достаточной для удержания во взвешенном состоянии частиц выбуренной породы и утяжелителя при данной плотности бурового раствора. Обычно достаточно, чтобы 10 ? 5 Па. Повышать следует в случае, если интенсивность разрушения горных пород при бурении достаточно велика и продукты разрушения имеют значительные размеры и плотность, если необходимо утяжелять промывочную жидкость специальными утяжелителями, а также в условиях возможных поглощений промывочных жидкостей в трещиноватых или пористых породах. При этом необходимо иметь в виду, что повышенное статическое напряжение сдвига ухудшает условия дегазации и очистки промывочных жидкостей.

Оборудование. Лабораторная глиномешалка, весы с разновесами, образцы глины различного качества, техническая вода, ротационный пластометр СНС-2.

Прибор СНС-2. Состоит из цилиндра 6 (рис.10), подвешенного на упругой проволоке 2 к конусу 1, кронштейна 4 и стакана 7, установленного на вращающемся столике 8. Вращение с частотой 0,2 об/мин через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Во избежание скольжения испытуемой жидкости поверхность подвесного цилиндра сделана рифленой. На трубке 3, соединенной с цилиндром, укреплен лимб 14, разделенный на 360?. На уровне лимба на кронштейне находится указатель 5. Для горизонтирования станины прибора 11 на опорах 10 имеются установочные винты 9.

Порядок выполнения работы. Приготовить раствор. При помощи регулировочных винтов прибор установить в строго горизонтальное положение, о чем будет свидетельствовать концентрическое положение цилиндра в стакане. Нить должна находиться по центру трубки.

Слегка приподнимая и вращая подвеску с помощью крутильной головки, совмещают нуль лимба с риской указателя. Показание на шкале против риски принимают за начальный угол отсчета 1.

Прибор включить в электросеть. Испытуемый раствор заливают в стакан прибора до тех пор, пока уровень его не совпадет с верхним краем цилиндра.

Затем включить секундомер, а через 1 мин - электродвигатель. Стакан начинает вращаться, увлекая за собой цилиндр и всю подвесную систему, так как усилие вращения передается через структуру глинистого раствора. По мере закручивания упругой проволоки сопротивление закручиванию возрастает и, в конце концов, превышает прочность структуры испытуемой жидкости. Это сопровождается или остановкой внутреннего цилиндра, или его движением в обратную сторону. По лимбу определяют максимальный угол закручивания проволоки 2.

Статическое напряжение сдвига, мг/см2:

(2 1),

где - константа прибора при данной упругости проволоки (табл. 1).

Определив 1, выключают электродвигатель, промывочную жидкость в стакане вновь перемешивают. По лимбу определяют начальный угол 1 и фиксируют время стабилизации структуры. По истечении 10 мин включают электродвигатель и измеряют угол 2. Определив 10 рассчитывают отношение 10/1 = т, характеризующее тиксотропные свойства исследуемой жидкости (т=11,5).

Таблица 1. Константа прибора

Номер нити	Диаметр подвесной нити, мм	Статическое напряжение сдвига при угле закручивания на 10, мг/см2
1 2 3 4 5 6	0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5	0,450 0,450 1,244 1,244 3,060 3,060

Продолжительность замера углов закручивания проволоки при исследовании промывочной жидкости не должна превышать 1 мин, так как в процессе измерения происходит дальнейшее упрочнение структуры. Поэтому для измерения статического напряжения сдвига промывочных жидкостей в широком диапазоне значений применяют проволоки различной упругости.

Статическое напряжение сдвига (Gel0/10) по стандарту API, показатель СНС называется «Gel0/10» определяют через 10 с и 10 мин на ротационном вискозиметре любой модели на скорости 3 об/мин, а если ее нет, то вручную.

Порядок выполнения работы. 1. Перемешайте пробу на высокой скорости в течение 10 секунд. 2. Переключите скорость на нейтральную, а в электрических двухскоростных вискозиметрах - выключите двигатель. 3. Подождите требуемое время: 10 с для первого замера и 10 мин для второго, начните медленно вращать ручку, чтобы получить показания на индикаторе. Максимальное отклонение индикатора и есть Gel в фунт/100 фут2. 4. При использовании 6-ти скоростного вискозиметра СНС определяют на скорости 3 об/мин.

Примечание: Если после выключения двигателя шкала вискозиметра не возвращается в нулевое положение, то нужно сделать это путем вращения полого цилиндра против часовой стрелки. Можно полученные показания переводить в дПа, умножив на коэффициент 4,88, но при этом полученные показания будут не очень точны. Для правильного перевода периодические замеры СНС необходимо делать на приборе СНС-2.

Обработка результатов и их представление. Отчет по лабораторной работе должен быть набран при помощи ПК, распечатан на листе формата А4 и содержать следующие разделы: цель работы; описание аппаратуры и материалов; результаты работы.

Лабораторная работа 7

Определение фильтрации (водоотдачи), толщины и коэффициента трения фильтрационной корки буровых растворов

Цель работы. Определить фильтрацию (водоотдачу), толщину фильтрационной корки и коэффициент трения глинистой корки бурового раствора.

Водоотдача промывочной жидкости - это способность её отфильтровывать жидкую фазу под влиянием избыточного давления. Водоотдача раствора является наиболее важным его параметром при бурении в рыхлых, слабосцементированных, пористых и трещиноватых породах. Глинистый раствор с большой водоотдачей образует в скважине толстую и рыхлую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки и прихваты бурового инструмента при подъеме. Проникновение водного фильтрата в породы, окружающие ствол скважины, может вызвать набухание и обрушение этих пород, а также снижение дебита продуктивных пластов. Снижением водоотдачи можно предупредить эти осложнения.

Для определения показателя фильтрации и коркообразующих свойств бурового раствора используют фильтр-пресс. Буровой раствор фильтруется в камере фильтр-пресса при заданной температуре и давлении за определенный промежуток времени. Для получения сравнительных данных об объеме жидкости, ушедшей в породу, измеряют толщину фильтрационной корки (в миллиметрах), отложившейся на фильтровальной бумаге. Также оценивается ее плотность, рыхлость, ломкость, липкость, скольжение тел на ее поверхности. Эти косвенные характеристики корки дают дополнительную информацию о состоянии раствора и характере шлама, находящегося в нем.

В полевых условиях может определяться показатель фильтрации при температуре до 100 °С и давлении 7атм (100 psi) на фильтр-прессе АНИ (рис.11) и при температуре выше 100 °С и перепаде давления 35 атм (500 psi) на HTHP фильтр прессе (рис.12).



Рис.11 Фильтр - пресс АНИ (API)

Процедура замера на фильтр-прессе АНИ

1. Соберите детали чистого и сухого фильтр-пресса, используя специальную (комплектную) для прибора фильтровальную бумагу. Порядок сбора указан в его паспорте. 2. Залейте буровой раствор в контейнер так, чтобы он приблизительно на 1,5 см не доходил до верха (заполняйте контейнер доверху в том случае, когда в растворе необходимо сохранить газ) и установите его на опору рамы фильтр-пресса. Верхнюю крышку установить на контейнер, зажать винтом рамы до упора, клапан подачи газа - в рабочее положение (в камеру). 3. Установите мерный цилиндр для приема фильтрата и с помощью редуктора подайте давление 7 атм (100±5 psi), включив при этом таймер или секундомер. 4. Через 30 минут давление стравливают (клапан подачи газа в положении стравливания), в мерном цилиндре отмечают объем фильтрата (в миллилитрах), который и является показателем фильтрации. Разобрав фильтр-пресс (в обратном порядке) и вылив раствор из контейнера, осторожно снимите фильтровальную бумагу с фильтрационной коркой и под слабой струей воды смойте избыток бурового раствора. Толщину фильтрационной корки измеряют с точность до 1/2 мм. Также полезно записать и комментарии о состоянии фильтрационной корки. 5. После использования тщательно вымойте и вытрите насухо части прибора.



Рис.12 Фильтр - пресс HTHP

Процедура замера показателя фильтрации на HTHP фильтр прессе. Показатель фильтрации при температуре выше 100 °С измеряется следующим образом: 1. Перед началом опыта подключите нагревательную рубашку прибора к сети соответствующего напряжения. Установите термометр в гнездо рубашки. Нагрейте рубашку до требуемой температуры. Отрегулируйте термостат так, чтобы температура была на 5-6 °С выше заданной и была постоянной во времени. 2. В дно камеры, которое будет верхом, закручивается до упора клапан, камера переворачивается и в нее заливается раствор до уровня 1,5см ниже края (при температуре испытаний до 149 °С) и 3,8 см (при температуре выше 149 °С) ниже уровня внутреннего среза. На опору среза аккуратно устанавливается бумажный фильтр. В отверстие камеры устанавливается ее нижнее дно с резиновым уплотнением и ввернутым в него нижним клапаном. Нижнее дно фиксируется по окружности винтами, которые должны попасть в выемки по кольцу нижнего дна. Нижний клапан поворачивается до упора ключом. 3. Камера переворачивается и устанавливается в нагревательную рубашку. Во время установки надо проявлять осторожность, чтобы избежать ожога. В гнездо камеры вставьте второй термометр. 4. Установите блок создания давления на верхний клапан и закрепите его. Внизу установите приемник фильтрата и также закрепите его. При закрытых клапанах подайте давление в 100 psi в оба устройства, работающие под давлением. Откройте верхний клапан и, продолжая нагревать раствор, подайте в камеру с раствором давление, равное 100 psi. 5. При испытаниях, когда температура ниже 149 °С, нужно придерживаться следующего порядка проведения работ. Когда температура пробы достигнет заданной, увеличьте давление в верхнем устройстве, работающем под давлением до 600psi, и откройте нижний клапан, чтобы началась фильтрация, одновременно включив таймер или секундомер. Поддерживая постоянную температуру с колебаниями ± 3 °С, соберите фильтрат за 30 минут. При желании, можете измерить мгновенную фильтрацию за 2 секунды. В процессе измерения противодавление может повышаться выше 100 psi, во избежание этого периодически осторожно сливайте часть фильтрата в мерный цилиндр. Запишите его общий объем. 6. Объем фильтрата должен быть приведен к площади фильтрования, равной 7,1 дюйм2. 7. По окончании опыта закройте оба клапана. Закройте редукторы высокого давления, выкрутив винты до свободного хода. Стравите давление на верхней и нижней линии высокого давления до нуля, открыв выпускные краны барашками с насечкой.

Предупреждение: В фильтрационной камере все еще остается давление около 500 psi. Удерживая в вертикальном положении камеру, осторожно вытащите её, охладите до комнатной температуры, а затем стравите давление. С целью принятия мер по сохранению фильтровальной бумаги, переверните камеру, открутите крепежные винты по окружности и вытащите нижнее дно. Осторожно достаньте фильтрационную корку и промойте слабой струей воды от избытка раствора, определите ее толщину с точностью до одного миллиметра и запишите результат.

Примечание: По спецификации АНИ площадь фильтрования в камере должна составлять 7,1 дюйм2. Однако есть фильтр-прессы, площадь фильтрования в которых в два раза меньше. Для того, чтобы полученный на таком фильтр - прессе результат согласовывался с требованиями АНИ, его нужно удвоить.

Толщина фильтрационной корки измеряется в миллиметрах и обозначается буквой К.

Коэффициент трения фильтрационной корки бурового раствора определяется в условиях промысловых лабораторий и на буровых с целью выявления эффективности смазочных добавок и оперативного вмешательства в технологический процесс бурения в осложненных условиях.

Прибор КТК-01 используют для измерения коэффициента трения корки, образующейся после фильтрации бурового раствора.

Коэффициент трения определяется как тангенс угла наклона, при котором деталь, нормализованная формой и весом, создающая удельное давление на поверхность опоры, равное 7,85 г/см2, начнет двигаться по корке.

Прибор КТК-01 (рис.13) состоит из следующих основных узлов: корпуса 1, соединяющего все узлы и на котором закреплен нониус 5; платформы 2, на которой закреплены лимб 8 и накладка 13; уровня 4; ручки 6, для регулирования угла наклона платформы; винтовой опоры 7, для регулирования прибора по уровню; шаровой опоры 9; рычага 10 с шарниром 11 для наклона платформы; оси 12 наклона платформы, на которой установлена пружина закручивания для обратного действия.

Порядок выполнения работы. Прибор устанавливают на прочную ровную поверхность. Смотрят, чтобы платформа прибора находилась в нижнем положении, и нулевые риски лимба и нониуса совпадали. При помощи винтовых опор 7 устанавливают прибор по уровню 4. При этом воздушный шарик уровня 4 должен находится по центру.

Фильтр со свежей коркой укладывают на середину платформы коркою к верху. Сверху на корку симметрично ложится пригруз-ползушка 3 на 10 минут. После этого, поворачивая по часовой стрелке медленно и плавно ручку 6 регулирования наклона платформы, следить за положением пригруза-ползушки. Как только "ползушка" начнёт сползать, наклон платформы приостановить. По лимбу и нониусу определить действительный угол наклона платформы, при котором началось движение пригруза-ползушки 3. По таблице тангенсов найти тангенс этого угла. Числовое значение тангенса угла наклона платформы и будет коэффициентом трения корки.

Прибор КТК- 2 (рис.14) состоит из следующих основных узлов: столика - основания 1, регулировочных винтов 2, подъемной плиты 3, электродвигателя 4 (ДСМ-2), установленного на корпусе 8, который крепится к подъемной плите, ложа 5, груза 9, основной шкалы 10, шкалы нониуса 11.

Основание - столик опирается на лабораторный стол двумя регулировочными винтами 2 и ножкой 12. Подъемная плита 3 поворачивается вокруг горизонтальной оси 7 с момента включения электродвигателя 4. Для возвращения плиты в исходное состояние (установка на «0») в корпусе расположена кнопка 13. На подъемной плите закреплено ложе 5 с цилиндрической поверхностью диаметром 60 мм, на которое устанавливается груз 9 диаметром 38 мм и весом 140 г.



Принцип действия устройства основан на определении угла подъема ц (в градусах) подвижной плиты в момент страгивания цилиндра и перевод его значения в коэффициент трения по прилагаемой к устройству таблице тангенсов.

Подготовка к работе. Проверить совмещение нулевого штриха шкалы 11 нониуса, расположенного на подвижной плите, с нулевым штрихом основной шкалы 10. При отсутствии совмещения его необходимо добиться с помощью ножки. Установить на подвижную плиту уровень 6. Винтами 2 установить пузырек уровня в центральное положение.

Порядок выполнения работы. Вставить штепсельную вилку в розетку. Фильтр, с образовавшейся на нем коркой после измерения водоотдачи, установить на ложе, затем опустить сверху на корку груз. Включателем на шнуре включить питание на двигатель, после срабатывания кнопки (слышен щелчок) приводится в движение подъемная плита, при этом следует наблюдать за положением груза. В момент страгивания груза прибор отключить от сети. Определить по шкале угол подъема плиты. Если штрих нониуса с обозначением «0» совпадает с каким-либо штрихом основной шкалы, то отсчитывается целое значение угла только по основной шкале. Если этот штрих не совпадает ни с одним штрихом основной шкалы, то отсчет состоит из двух частей: целое значение угла, кратное 1°, определяют по ближайшему меньшему значению основной шкалы, и к этому значению добавляют дробное значение размера по нониусу, которое определяется значением штриха нониуса, совпадающего со штрихом основной шкалы.

Полученное значение угла ц в градусах перевести в коэффициент трения (Ктр=tgц) по прилагаемой к прибору таблице и занести в журнал регистрации параметров промывочной жидкости.

...