Стабильность бурового раствора

Стабильность дисперсионной системы – это её агрегативная и седиментационная устойчивость. Она зависит от дисперсности, концентрации твердой гидрофильной твердой фазы, при которой не все молекулы воды оказываются связаны (адсорбированы) частицами твердой фазы, когда в дисперсной системе присутствует свободная вода в результате различной плотности свободной воды и гидратированной твердой фазы, происходит расслоение промывочной жидкости: в нижней части – структурированная жидкость высокой плотности, в верхней – слой чистой воды, в средней –структурированная жидкость малой плотности.

При равновесной концентрации образуется устойчивая дисперсная система без свободной воды.

Стабильность определяют по величине суточного нго отстоя или на приборе ЦС – 2

 

Рис. 1.6. Цилиндр стабильности ЦС - 2.

 

1.7. Водоотдача. Приборы для определения водоотдачи

Благодаря высокой гидрофильности твердой фазы и её диспергенности, наличия в ней большого количества полярных функциональных групп между твердой фазой и водной средой происходит взаимодействие. Вокруг частиц адсорбирунтся плотный гидратный слой. Чем выше концентрация и гидрофильность твердой фазы, тем больше молекул воды оказывается связанной с частицами твердой фазы, тем меньше свободной воды в растворе, но прочнее связи между частицами (СНС).

Количество свободной воды в промывочной жидкости определяют путем её отфильтровывания через бумажный фильтр под давлением.

Для этой цели используют приборы различных конструкций с принудительным давлением на исследуемую промывочную жидкость ВМ-6, ВГ-1М, вакуумные установки и др. Чаще других используют приборы ВМ-6.

В приборе ВМ-6 водоотдачу измеряют в статическом состоянии при постоянном перепаде давления 0,1 МПа принимают количество жидкости, отфильтровавшейся через бумажный фильтр за 30 мин.

Прибор имеет две модификации. Первая (рис. 1.7, а) состоит из трех основных узлов: напорного цилиндра 3 с плунжером 1, фильтрационного стакана 14 и плиты с кронштейном 13. В фильтрационном стакане между собственно стаканом 5 и его поддоном 9, соединенном на резьбе со стаканом в специальной кольцевой выточке кронштейна зажимается металлической корпус фильтра 7, на который при измерении укладывают смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги 6.

С помощью винта 11 клапан 10 с резиновой прокладкой 8 прижимают к нижней стороне корпуса фильтра, перекрывая таким образом каналы фильтрации.

Фильтрационный стакан в собранном виде устанавливают в кронштейн 13 и заливают в него исследуемую промывочную жидкость 14. На резьбу горловины стакана 5 навинчивают напорный цилиндр 3 с чашкой в нижней части и проверяют перекрыт ли дроссельный кран 4. После этого в цилиндр 3 заливают масло 15, устанавливают на цилиндр плунжер 1 с грузом 2 и выпуская лишнее масло с помощью дроссельного крана 4, совмещают нулевое деление шкалы прибора с риской в верхней части цилиндра. Затем открывают клапан 10 и включают секундомер.

 

 

Рис. 1.7. Прибор ВМ-6.

Под давлением веса плунжера через фильтровальную бумагу и образующуюся на ней фильтрационную корку из промывочной жидкости отфильровывается жидкость, стекающая через отверстия в поддоне 9. По мере отделения фильтрата объем раствора уменьшается и плунжер с грузом опускается вниз. Через 30 мин по шкале и риске на цилиндре 2 фиксируют объем отфильтровавшейся жидкости в см³.

После взятия отсчета открывают дроссельный кран 4, выпускают остатки масла из цилиндра 3. Затем при открытом кране вынимают плунжер и сливают масло из чашки. Вынув из кронштейна фильтрационный стакан, выливают из него остатки жидкости масла, прибор разбирают, извлекая фильтр с фильтрационной коркой. Смыв сверху его промывочную жидкость замеряют его толщину.

Модификация прибора (рис. 1.7) незначительно отличается от рассмотренного выше.

Водоотдачу промывочной жидкости, содержащий газ и объем газа (в %) определяют на приборе ВГ-1М (рис. 1.8).

Прибор имеет удлиненные плунжер и цилиндр, а также шкалу, разделенную на две части: нижнюю – для измерения содержания газа и верхнюю – для измерения водоотдачи. Шкала перемещается в вертикльном направлении и крепится с помощью винтов, что необходимо для установки нуля шкалы «газ».

Сначала определяют содержание газа. Плун-жер под своим весом опускается вниз, сжимая газ до некоторого деления шкалы «газ».

По отсчетной риске на верхнем крае втул-

ки цилиндра определяют содержание газа

 

 

Рис. 1.8. Прибор ВГ-1М

После этого определяют водоотдачу промывочной жидкости, как было рассмотрено выше. Вакуумный способ измерения водоотдачи применяют в стационарных лабораториях.

 

1.8. Показатель фильтрации. Приборы для определения показателя фильтрации

Показатель фильтрации понятие более широкое. Водоотдача, как отмечено, величина условная не определяет фактическую величину фильтрации бурового раствора при бурении. Фактическая величина фильтрации зависит не только от свойств промывочной жидкости: её состава, объёмной энергии, концентрации и активности компонентов, но и от свойств горной породы: поверхностной энергии, потенциала пористости, трещиноватости и условий фильтрации: давления столба промывочной жидкости, скорости циркуляции, температуры.

При наличии в растворе электролитов за счет взаимодействия его компонентов с отрицательно заряженными частицами стенок скважин происходит адсорбция катионов, поверхностная энергия снижается, снижается и фильтрация раствора.

Поверхностная энергия зависит от потенциала горной породы. По энергетической способности минералы (горные породы) делят на четыре группы:

- минералы с высоким потенциалом – кислородосодержащие не нейтрализованные поливалентными катионами (кварц),

- минералы с пониженным потенциалом, частично нейтрализованные чаще всего одновалентными катионами (калиевые шпаты),

- минералы с низким потенциалом, обычно нейтрализованные поливалентными катионами (кальцит, доломит),

- нейтральные минералы (тальк).

Большое влияние на фильтрацию бурового раствора оказывает объемная энергия бурового раствора и горной породы.

Если объемная энергия перебуриваемой горной породы выше объемной энергии промывочной жидкости, то молекулы воды будут перемещаться из промывочной жидкости в поры горной породы. Так при бурении глины глинистым раствором объемная энергия глины будет всегда выше объемной энергии глинистого раствора, поэтому его водоотдача в этом случае снижается мало.

При бурении глины щелочными (гуматными) растворами и активированными (личносульфонатными) растворами указанные реагенты активируют глинистые частицы горной породы, что приводит к повышению показателя фильтрации раствора.

В трещиноватых и пористых горных породах с высоким потенциалом наблюдается активное «всасывание» фильтрата в поры и трещины, что также повышает показатель фильтрации.

Далее. В приборах по определению водоотдачи давление жидкости на фильтр составляет всего 0,1 МПа. Действительное давление столба промывочной жидкости в скважине во много раз превышает эту величину. Для того, чтобы создавать давление в соответствии с действительным, прибор должен иметь приспособление для его регулирования.

Существенное влияние на показатель фильтрации оказывает скорость циркуляции жидкости, которая также не учитывается при измерении фильтрации в указанных приборах. Для приведения прибора в соответствие с действительной скоростью прибор должен иметь механизм для её регулирования.

С увеличением глубины температура в скважине возрастает. Повышение температуры растет водоотдача, что также нужно учитывать при определении показателя фильтрации.

Таким образом, для определения действительного показателя фильтрации необходимо иметь прибор с механизмом регулирования давления, скорости циркуляции бурового раствора, его температуры.

К приборам в которых можно регулировать давление исследуемой жидкости, относится прибор ФЛР-1 (фильтр-пресс).

Рис. 1.9. Фильтр-пресс ФЛР-1

Прибор работает следующим образом. Раствор из нагнетательной линии через кран 1, фильтр 3 и открытую задвижку 2 направляется в кольцевое пространство, образованное корпусом 4 и фильтром 5. Площадь цилиндрической поверхности фильтра равна площади фильтровальной бумаги для прибора ВМ-.

Преодолевая сопротивление пружины редукционного клапана 6 отфильтрованная жидкость стекает в измерительный цилиндр 7. Циркулирующая жидкость через распределительную муфту 8 удаляется из системы. Давление контролируется монометром 9.

Прибор позволяет измерять водоотдачу при перепаде давления до 15 МПА и скорости циркуляции промывочной жидкости равной скорости восходящего потока бурового раствора в скважине.

Недостатки: 1) Нельзя регулировать температуру, 2) вместо горной породы используется бумажный фильтр.

Рис. 1.10. Прибор УИВ-2

Для измерения показатея фильтрации промывочной жидкости при повышенных давлении и температурах применяют установку УИВ-2. (рис. 1.10.)

Прибор состоит из пневматической системы (трубопровод, манифольд 13 с вентиляторами, баллон – ресивер 14, манометр 12) и гидравлической системы (автоклав 7, трубка 5, холодильник с вентилем 20).

Автоклав нагревают с помощью наружного электронагревателя 9, выполненной из нихромовой проволоки с фарфоровыми изоляторами. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 16 типа РНО-250-2 и контролируется амперметром 17. Температуру пробы измеряют хромель-копеловой термопарой 4 в комплекте с регистрирующим потенциалом 1, с помощью которого заданная температура поддерживается автоматически. Фильтрационный элемент 8, над которым установлена металлическая шайба-отбойник 2, соединен с крышкой 6, прижимающейся к корпусу автоклава через резиновое уплотнительное кольцо 3 с помощью нажимной гайки 10. Мешалка 11 приводится во вращение однофазным электродвигателем 15.

Термостат, в котором установлен автоклав состоит из винтообразной рубашки охлаждения 19, электронагревателя 9 и теплоизоляционного кожуха 18.

Порядок работы. Промывочную жидкость заливают в автоклав. На решетке фильтра закрепляют фильтровальную бумагу (при - асбестовую бумагу) устанавливают собранную крышку автоклава 6, закрепляют её гайкой 10, на крышке закрепляют воздухопровод и трубку для отвода фильтрата 5, устанавливают стрелку потенциометра на деление, соответствующей заданной температуре, включают электродвигатель.

Открыв вентили «баллон I» и «автоклав IV», подают сжатый воздух в автоклав, после достижения заданной температуры, подают воду в холодильник.

Измерение водоотдачи начинается с момента открытия вентиля «фильтрат» 20. Охлажденный в холодильнике фильтрат поступает в измерительную ёмкость. По окончании измерения необходимо отключить электродвигатель, с помощью вентиля «сброс III» снизить давление в автоклаве до атмосферного и отсоединить от крышки автоклава воздухопровод и трубку, отводящую фильтрат, разобрать фильтр, извлечь автоклав, вылить раствор, установить начальное давление в баллоне с помощью вентиля II. Толщину фильтрационной корки определяют линейкой.

Недостатки: 1) Нельзя регулировать скорость циркуляции;

2) вместо горной породы используется фильтровальная бумага, что не позволяет оценить влияние на фильтрацию горной породы,

3) установка весьма сложная и дорогая.

Рис. 1.11. Схема установки для измерения водопроницаемости цекментного камня

Определить показатель фильтрации на реальной горной поде можно с помощью установки для измерения водопроницаемости цементного камня (рис. 1.11). Установка состоит из кернодержателя (цилиндра с крышкой 4 и днищем 7). Создание давления осуществляется с помощью масловодосистем, состоящей из плунжерного пресса 16 разделительной (наполненной маслом) и напорной (наполненной водой) емкостей и трубопровода. Вместо маслосистемы давление можно создавать с помощью сжатого азота.

Перед измерением коэффициента проницаемости горной породы из емкости 2 набирают воду в ёмкости 9, а из неё в днище кернодержателя. В кернодержатель устанавливают образец исследуемой горной породы, через открытый вентиль 3 набирают воду под крышку 4 в кернодержатель до тех пор пока вода не будет вытекать через штуцер 5. После этого вентиль 3 закрывают. Создают давление в напорной ёмкости и далее под образцом ступенями 0,5 1,0 и 1,5 МПа. Вода через образец поднимается вверх и поступает через трубопровод в стеклянную трубку 19. Коэффициент проницаемости определяют по формуле:

где V – объем воды профильтровавшийся через образец за время t, м³, - вязкость раствора, Пас; l – длина образца, м; F – площадь поперечного сечения образца, м²; - давление, замеряемое манометром, Па.

К приборам, удовлетворяющим все требования, предъявляющим к определению показателя фильтрации относится усовершенствованный прибор УИВ-2. (рис. 1.12)

Рис. 1.12. Прибор УИВ-2М

В отличие от УИВ-2 вместо мешалки 10 внутри автоклава устанавливают исследуемый образец горной породы в виде керна с просверленной полостью. Один трубопровод от крышки автоклава подсоединяют к насосу, с помощью которого регулируют скорость циркуляции раствора. В нижней части автоклава в патрубке устанавливают редукционный клапан с помощью которого регулируют давление жидкости в автоклаве. В верхней части автоклава над керном устанавливают уплотнитель со штуцером для подсоединения канала крышки, связанной со второй трубкой 5 для отвода отфильтрованного клапана из просверленной полости керна. Из редукционного клапана буровой раствор поступает в емкость, из ёмкости насос вновь нагнетает жидкость в зазор между автоклавом и керном, из которого жидкость отфильтровывается внутрь полости образца и по трубке 5 поступает через холодильник в емкость с делениями.