Каким образом и чем определяются свойства глинистых растворов
Каким образом и чем определяются свойства глинистых растворов
Основные свойства глинистых растворов
Глинистые растворы подразделяют на малоглинистые ( МГР ) с концентрацией глины до 7% и растворы с нормальной концентрацией глины.
МГР применяют, когда буримые породы относительно устойчивы, но использование воды может привести к осложнениям, а пластовые давления невелики и близки к гидростатическому давлению для чистой воды. Растворы с низким содержанием твердой фазы (глины) в связи с меньшей плотностью, чем обычные глинистые растворы, создают меньшее гидростатическое давление на забой. В результате улучшаются условия работы породоразрушающего инструмента, повышается механическая скорость проходки.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Успешное бурение в осложненных геологических условиях (слабосвязные рыхлые, нарушенные трещинами кристаллические, вспучивающиеся породы и др.) обеспечивается применением для промывки скважин качественного глинистого раствора нормальной концентрации.
Качество глинистых растворов, представляющих собой коллоидно-дисперсные системы, зависит от свойств основных составляющих их компонентов (глины и воды), а также от степени измельчения частиц глины.
Наилучшие для приготовления глинистых растворов — бентонитовые глины, состоящие в основном из монтмориллонитов. Они быстро набухают и легко распускаются в воде. Каолиновые глины плохо распускаются в воде, их растворы неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Без специальной химической обработки получить высококачественные растворы из таких глин не удается. Глины иллито-вого (гидрослюдистые) типа дают растворы удовлетворительного качества.
Кроме того, следует иметь в виду, что глины содержат примеси окисей железа, натрия, кальция, магния, калия и др. Натровые глины являются лучшими. Глины с большим содержанием окисей кальция и магния непригодны.
Воду для раствора следует применять мягкую — речную или дождевую, а в случае использования жесткой воды подвергать ее химической обработке.
Тщательное перемешивание качественной глины с мягкой водой дает возможность получить стабильный (устойчивый) раствор, в котором частицы глины продолжительное время удерживаются во взвешенном состоянии.
Стабильность глинистого раствора обусловлена образованием вокруг каждого элементарного кристаллика глины, имеющего форму вытянутого лепестка, гидратационной оболочки из молекул воды и заряженного ионного облака, создающего электростатические силы отталкивания между частицами. Это пре-лятствует коагуляции (слипанию) частиц глины. Различают коагуляцию двух видов — гидрофобную и гидрофильную. Гидрофобная коагуляция происходит, когда частицы глины лишены защитных гидратных и ионных оболочек по всей их поверхности. Тогда они слипаются и выпадают из раствора в плотный осадок. При обработке глинистого раствора веществами, восстанавливающими у глинистых частиц электрические заряды, происходит пептизация — процесс распада слипшихся комочков глины на мелкие частицы, т. е. процесс, обратный коагуляции. В качестве пептизаторов применяют щелочи (каустическая, кальцинированная сода и др.). Гидрофильная коагуляция возникает в связи с тем что в качественных глинистых растворах защитные гидратные оболочки и электростатические силы ослаблены или отсутствуют лишь на торцевых поверхностях глинистых частиц. В состоянии покоя частицы по этим поверхностям слипаются. Образуется пространственная решетка, заполняющая весь объем раствора. Свободная вода при этом находится в ячейках решетки. Раствор теряет подвижность, становится прочным, похожим на студень.
Образование пространственной решетки в глинистом растворе, находящемся в состоянии покоя, и превращение его в студнеобразную массу (гель) называется структурообразова-нием.
Частицы породного шлама, находящиеся в растворе, при образовании структуры оказываются заключенными в ячейках каркаса пространственной решетки и удерживаются во взвешенном состоянии. Таким образом, наличие структуры препятствует оседанию частиц разбуренной породы и зашламованию бурового снаряда во время прекращения циркуляции промывочной жидкости в скважине. Кроме того, образование структуры в растворе способствует закупориванию трещин в стенках скважины и предупреждает потерю циркуляции промывочной жидкости.
Существенное значение при бурении слабосвязных пористых пород имеет способность глинистого раствора глинизировать стенки скважины, т. е. образовывать на них глинистую корку. Под давлением столба промывочной жидкости в скважине свободная вода из глинистого раствора фильтруется через пористые породы ее стенок. Частицы глины при этом задерживаются на поверхности стенок скважины и через некоторое время образуют глинистую корку.
При высокой степени дисперсности (измельчения) частиц глины в растворе на стенках скважины осаждается тонкая, но очень плотная и устойчивая корка, препятствующая поступлению воды в буримые породы и способствующая укреплению стенок скважины. Образование на стенках скважины тонкой, плотной глинистой корки позволяет бурить большие интервалы неустойчивых слабосвязных пород без крепления их обсадными колоннами, что дает возможность уменьшить расход обсадных труб и упростить конструкцию скважины.
Бурение в несложных условиях следует вести, применяя глинистый раствор вязкостью 18—22 с. Для борьбы с потерей циркуляции промывочной жидкости в трещиноватых породах вязкость раствора доводят до 40—50 с и более, вплоть до состояния «не течет». При бурении скважин на воду применяют растворы вязкостью от 18 до 35 с.
Содержание песка (П) в глинистом растворе характеризует качество глины, используемой для его приготовления, и степень загрязненности раствора частицами разбуренных пород. С увеличением содержания песка в растворе возрастает износ трущихся “частей бурового насоса и бурильных труб. Чрезмерно большое содержание песка в промывочной жидкости может привести к прихвату бурильного инструмента в скважине.
Содержание песка в глинистом растворе определяется отстойником металлическим ОМ-2, который представляет собой металлический цилиндр емкостью 500 см3, нижней частью соединенный со стеклянной бюреткой, на боковой поверхности которой нанесены деления через 0,1 см3. Сверху отстойник закрывается крышкой, имеющей форму стаканчика емкостью 50 см3.
Для определения содержания песка в отстойник заливают 50 см3 глинистого раствора (отмеряется крышкой) и 450 см3 воды (до уровня отверстия в верхней части отстойника). После энергичного взбалтывания содержимого отстойник устанавливают вертикально и оставляют в покое на 1 мин. Объем (в см3) осевшего за это время песка в бюретке умножают на два и получают содержание песка, выраженное в процентах к объему пробы промывочной жидкости.
Предельно допустимое содержание песка в промывочной жидкости 4%.
Стабильность (С) глинистого раствора определяют цилиндром стабильности ЦС-2, представляющим собой цилиндрический сосуд с отводящей трубочкой в средней части его боковой поверхности. Глинистым раствором наполняют прибор и оставляют в покое на 24 ч. После этого, пользуясь отводом на стенке прибора, отделяют верхнюю часть раствора от нижней и ареометром измеряют их плотность. Разность плотности нижней и верхней части раствора, характеризующая его стабильность, должна быть не более 20 кг/м3.
Водоотдача (В) характеризует способность глинистого раствора отдавать свободную воду пористым породам, в результате чего происходит глинизация стенок скважины. При высокой водоотдаче раствора снижается качество глинизации и ухудшается устойчивость стенок скважины. Для получения глинистого раствора с низкой водоотдачей необходимы высококачественная (бентонитовая) глина, мягкая вода и хорошее измельчение глины в растворе.
Показателем водоотдачи является количество воды (см3), отфильтровывающейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа.
Применяемый для определения показателя водоотдачи глинистого раствора прибор ВМ-6 состоит из основания, фильтрационного стакана, напорного цилиндра и плунжера с грузом. На дно основания, имеющего водоотводные канавки, укладываются смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги и кольцевая уплотняющая прокладка. Затем в основание ввинчивается фильтровальный стакан, а отверстие, связанное с водоотводными канавками, закрывается пробкой. Тщательно перемешанным испытуемым раствором заполняют стакан прибора. На стакан навинчивают напорный цилиндр, в который заливают машинное масло. В цилиндр вводят плунжер с грузом, создающим через масло на буровой раствор избыточное давление 0,1 МПа. Пользуясь запорной иглой, приоткрывают отверстие в нижней части цилиндра, сливают через него масло в кольцевую емкость и добиваются совмещения нулевого деления прозрачной шкалы плунжера с меткой М на цилиндре. Вынимают пробку из отверстия основания и одновременно фиксируют время. В результате давления, создаваемого плунжером, свободная вода из глинистого раствора проходит через фильтровальную бумагу, водоотводные канавки и отверстие основания в его кольцевую емкость. Плунжер со шкалой при этом опускается. Отсчет водоотдачи снимают через 30 мин по шкале против метки напорного цилиндра.
Водоотдача глинистых растворов, применяемых при бурении в нормальных условиях, не должна превышать 20—,25 см3 за 30 мин. В осложненных условиях бурения по рыхлым, неустойчивым, а также пучащимся породам для предупреждения обвалов и прихватов снаряда водоотдачу фильтрации глинистого раствора посредством химической обработки снижают до 5—6 и даже 2—3 см3 за 30 мин.
Закончив определение водоотдачи прибор ВМ-6 разбирают, вынимают из стакана фильтровальную бумагу и миллиметровой линейкой измеряют толщину образовавшейся на ней глинистой корки. Величина ее прямо пропорциональна водоотдаче раствора. Нормальной считается толщина корки 2—3 мм.
Описанные свойства растворов определяются как при их приготовлении, так и в процессе применения для контроля за изменением качества и своевременной замены раствора, его очистки или обработки реагентами.
Рассмотренные методы измерений применяют для определения свойств не только глинистых” растворов, но и любых промывочных жидкостей.
При централизованном приготовлении буровых растворов на глиностанциях измеряется также статическое напряжение сдвига (8), характеризующее прочность структуры глинистого раствора, т. е. его способность удерживать частицы шлама во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции. Повышение статического напряжения сдвига необходимо также для борьбы с потерей диркуляции при бурении в пористых или трещиноватых породах, а также при утяжелении глинистого раствора инертными наполнителями для создания противодавления на высоконапорные горизонты.
Вместе с тем высокое статическое напряжение сдвига осложняет очистку раствора от шлама и требует повышенного давления на насосе в момент его пуска.
Рис. 1. Схема глиностанции:
1 — кран для заполнения автоцистерны; 2 — емкость для глинистого раствора; 3 — насос; 4 — трубопровод; 5 — стол; 6 — емкости для раствора; 7 — желоб; 8 — склад для глины и химических реагентов; 9 — лаборатория; 10 — транспортер; 11 — глиномешалка; 12 — сетка; 13 — насос; 14 — емкость для воды 15 — гидроциклонный шламоотделитель; 16 — печь
За их пределами глинистый раствор коагулирует. Зная водородный показатель раствора, можно эффективно проводить его химическую обработку.
В полевых условиях водородный показатель определяется по изменению цвета индикаторной бумаги, погружаемой в от-фильтровавшуюся при определении водоотдачи раствора воду.
Приготовление глинистого раствора
Глинистый раствор можно приготовлять непосредственно на каждой буровой или на глиностанциях для централизованного снабжения раствором буровых установок с помощью автоцистерн. Выбор системы приготовления раствора зависит от объема буровых работ и густоты разведочной сети.
При централизованном приготовлении раствора повышается его качество, упрощается организация хранения исходных материалов в закрытых помещениях, сокращаются затраты труда.
Приготовление глинистого раствора непосредственно на буровых целесообразно в тех случаях, когда его транспортировка затруднена из-за большой удаленности скважин друг от друга или в связи с бездорожьем.
Рис. 2. Глиномешалка:
1 — шкивы (рабочий и холостой); 2 — редуктор; 3 — лопасти; 4 — вал; 5 — загрузочный люк; 6 — корпус; 7 — сливной патрубок
Для приготовления глинистого раствора используются местные глины или централизованно поставляемые глинопорошки.
Чтобы приготовить раствор, используют глиномешалки и фрезерно-струйные мельницы.
Глиномешалка представляет собой цилиндрический или овальной формы корпус, внутри которого помещается один или два параллельных вала с укрепленными на них лопастями для перемешивания глины с водой. В верхней части имеется люк для загрузки глины и заливки воды, а внизу — сливной кран. Загрузочный люк должен закрываться решеткой с ячейками размером 15X15 см.
Рис. 3. Фрезерно-струйная мельница:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — диспергирующая плита; 4 — сливной лоток; 5 — сменные лопасти; 6— выходная решетка; 7 —крышка; 8 — выходное отверстие дегазационной трубы; 9 — отражательный щиток; 10 — шарнир крышки; 11 — насадки водоподающей трубы; 12 — бункер; 13 — шарнир; 14 — предохранительная плита; 15 — затвор крышки ловушки; 16 — упорная штанга; 17 — крышка ловушки; 18 — ловушка
При необходимости обработки раствора химическими реагентами их вводят в глиномешалку перед загрузкой глины.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Это свойство глинистого раствора позволяет предотвращать аварии в результате прекращения циркуляции после окончания работы Долота на забое. [2]
Из свойств глинистого раствора наибольшее значение для нефтегазо-каротажа имеет вязкость. При увеличении вязкости раствора количество выделяемых из него газа и нефти сильно уменьшается, а показания газокаротажной кривой и интенсивность свечения снижаются. При большой вязкости раствора продуктивные пласты могут в некоторых случаях не отмечаться данными нефтегазока-ротажа. [4]
Из свойств глинистого раствора наибольшее значение для газокаротажа имеет вязкость. При увеличении вязкости раствора количество выделяемых из него газа и нефти сильно уменьшается и соответственно снижаются показания газокаротажной кривой и интенсивность свечения. При большой вязкости раствора продуктивные пласты в некоторых случаях могут не отмечаться данными газокаротажа. [5]
Влияние свойств глинистых растворов на характер изменения зависимости kdf ( ( l) гари больших диаметрах труб с изменением ч ( проявляется более резко. [6]
Как изменяются свойства глинистых растворов в зависимости от времени, химических добавок и механического воздействия. [8]
Эти изменения свойств глинистого раствора нередко являются причиной осложнений при бурении скважины и всегда приводят к значительному снижению скоростей бурения. [10]
Для повышения коллоидальных свойств глинистого раствора перед добавлением в него утяжелителя рекомендуется сильно разбавить его водой и добавить высококоллоидальной глины. Однако, количество добавляемой высококоллоидальной глины должно, быть невелико. [11]
Активное воздействие на свойства глинистых растворов осуществляется путем их химической обработки специальными веществами, которые получили название реагентов. [12]
О незакономерности изменения свойств глинистых растворов подтверждают исследования других авторов. [13]
Первые попытки регулирования свойств глинистых растворов при помощи специальных добавок относятся к началу двадцатых годов нашего столетия; они связаны с изысканиями методов борьбы с выбросами при разбуривании высоконапорных пластов. В 1921 г. Строуд [182] применил тонкоразмолотые окислы железа для повышения удельного веса глинистых растворов и предотвращения их излишнего загустевания. В 1922 г. для утяжеления был использован барит. [14]
Разработка метода регулирования свойств термосолеустойчи-вых глинистых растворов путем введения поверхностно-активных веществ требует детального исследования деформационного поведения таких систем, начиная с самых простых, при различных условиях и соотношениях компонентов. [15]
Структурные свойства глинистых растворов.
В покоящемся глинистом растворе частицы глины под действием сил межмолекулярного и электростатического притяжения сцепляются друг с другом. Поскольку плоские грани чешуек защищены диффузной оболочкой катионов и гидратной оболочкой сцепление частиц происходит, главным образом, краями. В итоге во всем объеме раствора образуется пространственный каркас из глинистых частиц. Этот каркас принято называть структурой.
В промежутках между частицами заключена жидкая фаза глинистого раствора. В качестве инертных включений в структуре удерживаются частицы утяжелителя, обломки выбуренной породы.
В результате процесса структурообразования глинистый раствор застудневает, подвижность его ухудшается. При механическом перемешивании структура разрушается и раствор опять становится текучим. По окончании перемешивания структура вновь восстанавливается.
Способность глинистых растворов образовывать структуру в состоянии покоя имеет большое практическое значение для бурения и заканчивания скважин.
Структура обеспечивает удержание во взвешенном состоянии частиц утяжелителя и обломков выбуренной породы, когда циркуляция глинистого раствора приостановлена для выполнения наращивания, спуско-подъемных операций, геофизических исследований и других работ в скважине.
По этой причине желательно, чтобы глинистый раствор обладал способностью к структурообразованию. Однако применение глинистых растворов, в которых этот процесс происходит очень интенсивно, а образующаяся структура обладает очень большой прочностью, может привести к возникновению ряда осложнений, из которых наиболее очевидными являются:
— чрезмерно высокие давления при запуске насосов и восстановление циркуляции;
— поглощения, газонефтепроявления и обвалы вследствие высоких гидродинамических давлений, возникающих при спуске и подъеме бурильной колонны;
— трудности при удалении из глинистого раствора обломков выбуренной породы в наземных очистных устройствах;
— трудности при дегазации глинистого раствора;
— некачественное разобщение пластов при цементировании вследствие неполного вытеснения глинистого раствора цементным из заколонного пространства;
— трудности при спуске в скважину геофизических приборов.
Способность буровых растворов к структурообразованию принято оценивать величиной статического напряжения сдвига.
Статическое напряжение сдвига – это максимальное касательное напряжение, при котором происходит разрушение структуры в покоящемся буровом растворе и раствор начинает двигаться. Так как прочность структуры со временем может увеличиваться, то определяют статическое напряжение сдвига после одноминутного и десятиминутного стояния бурового раствора в покое.
Фильтрационные свойства буровых растворов.
Находясь в контакте с проницаемыми пластами под давлением, которое превышает поровое (пластовое) давление в этих породах, буровой раствор стремится проникнуть в пласт. Если размер пор соизмерим с размерами частиц твердой фазы раствора, то в породу может проникнуть только жидкая фаза. Частицы твердой фазы застревают в ближайших к поверхности породы порах и затем отлагаются на стенке, образуя фильтрационную корку. Тонкая, малопроницаемая и прочная корка задерживает проникновение фильтрата из бурового раствора в пласт, способствует сохранению устойчивости ствола скважины в слабосцементированных породах.
Применение бурового раствора, который образует на стенках хорошо проницаемую, рыхлую и толстую фильтрационную корку, может вызвать осложнения:
— затяжки и прихваты бурильной колонны вследствие дифференциального давления или сальникообразования;
— поглощения или газонефтепроявления из-за повышения гидродинамических давлений в стволе, суженном толстой коркой;
— обвалы неустойчивых глинистых пород по причине потери прочности под действием фильтрата;
— некачественное разобщение пластов при цементировании как следствие отсутствия непосредственного контакта цементного камня с породой;
— трудности освоения скважины и снижение ее дебита вследствие загрязнения околоствольной части продуктивного пласта фильтратом и твердыми частицами бурового раствора.
Использование бурового раствора, образующего малопроницаемую фильтрационную корку, приводит к понижению скорости бурения, потому что корка, формирующаяся на свежей поверхности забоя, препятствует проникновению фильтрата в породу и выравниванию давления бурового раствора и порового давления в разбуриваемой породе.
Способность буровых растворов отфильтровывать жидкую фазу и образовывать фильтрационную корку на поверхности проницаемых пород принято оценивать величиной водоотдачи (фильтрации) и толщиной фильтрационной корки.
Водоотдачей (фильтрацией) называют объем жидкой фазы, отфильтровавшейся из пробы бурового раствора при замере, проведенном в установленных стандартных условиях.
В России принято измерять водоотдачу в статических условиях при температуре окружающего воздуха. Стандартными условиями замера являются:
1. Время замера – 30 минут;
2. Площадь фильтрации – 44 см 2 (диаметр круглого фильтра – 75 мм);
3. Перепад давления – 0,1 МПа.
Седиментационная устойчивость буровых растворов.
Для нормального течения процесса бурения важно, чтобы буровой раствор был седиментационно устойчивым, то есть, чтобы, находясь в покое раствор удерживал частицы твердой фазы равномерно распределенными по всему объему. Оседание твердой фазы в покоящемся буровом растворе приводит к изменению статического давления его по стволу скважины и создает опасность возникновения газонефтеводопроявлений. В наиболее неблагоприятном случае оседающие твердые частицы могут образовать осадок в призабойной части скважины, в рабочих и запасных емкостях наземной циркуляционной системы.
Седиментационную устойчивость буровых растворов оценивают по величине двух параметров: стабильности и суточного отстоя. Стабильность определяют разностью плотностей нижней и верхней частей пробы бурового раствора, находившегося в покое в течение 24 часов.
Суточный отстой оценивают по объему жидкой фазы, отделившейся в верхней части бурового раствора, находившегося в покое в течение суток.
Содержание абразивных частиц в буровых растворах.
Присутствие в буровом растворе неглинистых минералов и обломков выбуренной породы делает его абразивным. Использование такого раствора приводит в быстрому износу цилиндрических втулок, поршней, седел клапанов и клапанов буровых насосов, к износу деталей турбобуров.
Содержание в буровом растворе абразивных частиц принято оценивать их объемной концентрацией, выраженной в процентах. Параметр, используемый для количественного определения содержания абразивных частиц. Получил название – содержание «песка».
Водородный показатель рН.
Водородным показателем называют величину, численно равную отрицательному десятичному логарифму концентрации водородных ионов, выраженной в грамм-ионах на литр.
Для чисто воды и нейтральных сред при 25 0 С рН=7; для кислых растворов рН 7. Величина водородного показателя играет важную роль при регулировании свойств глинистых растворов. Вязкость необработанных и некоторых химически обработанных глинистых растворов имеет минимальное значение рН=8,5. Органические реагенты, применяемые для разжижения глинистых растворов, обладают наибольшей разжижающей способностью в определенном диапазоне рН. От величины рН зависит конфигурация молекул и эффективность действия высокомолекулярных реагентов. По изменению величины рН можно судить о характере посторонних электролитов, попавших в глинистый раствор при бурении. Некоторые типы глинистых растворов сохраняют хорошие технологические свойства только в узком диапазоне рН. При работе стальными бурильными трубами во избежание интенсивной коррозии труб рН следует поддерживать в щелочной области. Трубы из алюминиевых сплавов подвергаются интенсивной коррозии при рН>10.
Целью лабораторной работы является изучение методики измерения основных параметров бурового раствора на водной основе, ознакомление с наиболее распространенным видом промывочной жидкости – глинистым раствором и изучение влияния концентрации глины на важнейшие свойства глинистого раствора.
Оборудование и приборы, необходимые для выполнения работы:
§ Прибор ВМ-6 для измерения водоотдачи.
§ Линейка металлическая или пластмассовая с миллиметровыми делениями для измерения толщины фильтрационной корки.
§ Ротационный вискозиметр ВСН-3.
§ Вискозиметр полевой ВП-5.
§ Пикнометр стеклянный с капилляром в пробке.
§ Весы аналитические или технико-химические.
Для лабораторной работы лаборант заранее приготавливает глинистый раствор с условной вязкостью Т = 50-60 с. В кружки, число которых соответствует количеству одновременно работающих бригад, наливают по 1000см 3 исходного глинистого раствора. В одной из кружек оставляют исходный раствор, а в остальные добавляют воду. Объем воды, взятой для разбавления, увеличивают для каждой последующей пробы так, чтобы наиболее разбавленный глинистый раствор имел условную вязкость Т = 17-18 с. Таким образом, для работы группа студентов будет иметь несколько проб глинистого раствора, отличающихся концентрацией глины.