«Седиментационные процессы в технических жидкостях как одна из причин инцидентов при строительстве скважин

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ДИСПЕРСИОННАЯ СРЕДА, СЕДИМЕНТАЦИЯ. 4
1.1 УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЫ. 5
1.2 СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ СОЛЬВАТНЫХ И АДСОРБЦИОННЫХ СЛОЕВ. 6
1.3 СЕДИМЕНТАЦИЯ. 7
1 СЕДИМЕНТАЦИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ 8
СЕДИМЕНТАЦИЯ В БУРОВЫХ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРАХ. 8
2.1.1 МЕХАНИЗМ КОАГУЛЯЦИИ И ПЕПТИЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ. 9
2.2.2 ПОДДЕРЖАНИЕ СЕДИМЕНТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ. 10
2.2.3 КАВИТАЦИЯ И ЕЁ РОЛЬ В СЕДИМЕНТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ. 11
2.2.4 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ. 13
2.2.5 ЛАБОРАТОРНЫЕ СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕДИМЕНТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ. 14
2.2.5 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ. 15
2.2.6 СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ. 15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 17

1 дисперсионная среда, седиментация.
Дисперсная система – система, в которой одно вещество раздроблено (диспергированно) и распределено в другом веществе. Диспергированное вещество называется диспергированной фазой, а среда, в которой находиться вещество - дисперсионной средой.
По агрегатному состоянию фаз возможно выделить существование девяти типов дисперсных систем (таблица 1.1).

Таблица – 1.1 основные типы дисперсных систем.
Дисперсная фаза
Дисперсная среда
Обозначение
Примеры
1
2
3
4
Твёрдое тело
Жидкость
Т/Ж
Суспензия, коллоидные растворы.
Твёрдое тело
Газ
Т/Ж
Пыль, дым.
Твёрдое тело
Твёрдое тело
Т/Т
Сплав, минералы.
Жидкость
Жидкость
Ж/Ж
Эмульсии (молоко, лекарственные средства)
Жидкость
Газ
Ж/Г
Аэрозоли
Жидкость
Твёрдое тело
Ж/Т
Жемчуг, гели.
Газ
Газ
Г/Г
Атмосфера
Газ
Жидкость
Г/Ж
пена
Газ
Твёрдое тело
Г/Т
Пемза, туф.

Дисперсные среды характеризуются несколькими факторами:
1) Дисперсность – мера раздробленности вещества:

(1.1)
Где а - поперечный размер частиц.
...

1.1 Устойчивость дисперсной среды.
Устойчивость любой дисперсной системы, определяется неизменностью во времени равновесного распределения дисперсной фазы в объеме среды. Существует два типа устойчивости: седиментационная и агрегативная. Под первой понимают способность частиц противостоять силе тяжести. Вторая характеризует способность системы в течение достаточно длительного времени сохранять степень дисперсности, что проявляется в отсутствии процесса укрупнения частиц дисперсной фазы за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты. Отмеченные два типа устойчивости тесно связаны друг с другом. Нарушение агрегативной устойчивости снижает седиментационную устойчивость дисперсии, что способствует осаждению частиц.
Для повышения агрегативной устойчивости в дисперсную систему вводят вещества, которые адсорбируясь на частицах, создают адсорбционные и сольватные слои, обуславливающие уменьшение свободной поверхностной энергии системы.
...

1.2 Стабилизирующее действие сольватных и адсорбционных слоев.
Структурно – механический фактор стабилизации. Для образования и стабилизации устойчивых дисперсных систем необходимо, чтобы адсорбционные слои и связанные с ними сольватные оболочки обладали достаточно высокой вязкостью, а при насыщении адсорбционного слоя – упругостью и механической прочностью. Таким требования отвечают адсорбционные слои, в близи насыщения, ориентированных низко- и высокомолекулярных защитных реагентов. Эти вещества при обычных концентрациях не образуют структур, иногда даже заметно не изменяют вязкости раствора.
Расклинивающее давление. При сближении двух дисперсионных частиц, взаимодействующих с дисперсионной средой, поверхностно – активными веществами и защитными реагентами, покрытыми адсорбционно – сольватными слоями, возникает электростатическая сила отталкивания. Чем выше лиофильность системы, тем больше положительное расклинивающее давление.
...

1.3 Седиментация.
Седиментация – осаждение твёрдой фазы в гравитационном поле, которое зависит не только от разности плотностей твёрдой фазы и технологического раствора, но и реологических характеристик, смачиваемости, дисперсности и формы частиц. Но для понимания природы седиментации в разных жидкостных агентах приведем пример седиментационной активности для буровых растворов. Седиментация или «осаждение» обозначает значительное изменение плотности бурового раствора во время циркуляции после проведения СПО, ГИС и других операций, при проведении которых раствор остаётся в неподвижном состоянии в течение длительного времени. Необходимо, таким образом, отметить, что осаждение – это явление, включающее в себя седиментацию в динамических и статических условиях, а в наклонных скважинах ещё и сползание твёрдой фазы по наклонному стволу.
...

Седиментация в буровых глинистых растворах.
Глинистые растворы представляют собой полидисперсные системы, состоящие из мелко раздробленных глинистых частиц, химических реагентов, частиц утяжелителя, частиц разбуриваемых пород, перешедших в раствор и воды, содержащей различные ионы.
Наиболее активной частью глинистых растворов является глина. Глины – это осадочные горные породы. Глинистые минералы обладают специфическими свойствами, из которых наиболее важными являются: набухание, гидрофильность, пластичность, ионный обмен, способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички.
Седиментационная устойчивость буровых растворов характеризуется способностью частиц дисперсной фазы удерживаться во взвешенном состоянии.
...

2.1.1 Механизм коагуляции и пептизации промывочной жидкости.
На больших расстояниях молекулярные силы притяжения незначительны, но все же больше сил отталкивания. При сближении частиц до границ их ионных атмосфер начинают преобладать силы отталкивания и быстро возрастают до максимального значения. Возникает энергетический барьер, препятствующий сближению частиц. Когда силы сцепления превысят энергетический барьер, т. е. расклинивающее давление, происходит агрегирование частиц и коагуляция бурового раствора.
Процесс коагуляции буровых растворов делятся на два вида: скрытую или гидрофильную коагуляцию и явную или гидрофобную коагуляцию.
Скрытая, гидрофильная, коагуляция приводит к сцеплению частиц по концам и ребрам, и к образованию структуры дисперсной системы.
Явная, гидрофобная, коагуляция характеризуется слипанием большими участками поверхности частиц под действием сил притяжения, вплоть до выпадения коллоидного вещества в осадок.
...

2.2.2 Поддержание седиментационной устойчивости.
Качественный буровой раствор является своеобразным краеугольным камнем в процессе бурения. С его помощью можно увеличить скорость проходки сложных участков, стабилизировать стенки скважины, свести риски сальникообразований к минимуму. Правильно подобранный агент изменяет экономическую составляющую в сторону экономии. Неправильно подобранный раствор несет в себе аварии, осложнении и немалый риски потерять рентабельность скважины в целом.
Для обеспечения безаварийной проходки раствор должен иметь седиментационную устойчивость (быть стабилизованным). Добиться этого можно с помощью регентов структурообразователей, понизителей водоотдачи (при этом стоит отметить, что некоторые химические соединения имеют сразу два этих свойства, но превалирующая функция все-таки отлична, например, ксантановая смола и низкомолекулярная КМЦ), пептизаторами, механическим способом (подачей циркуляции, ультразвуком).
2.2.
...

2.2.3 Кавитация и её роль в седиментационной устойчивости.
В промывочных растворах, присутствует множество зародышей кавитации в виде мельчайших пузырьков газа размерами, обеспечивающими их не растворение даже в условиях значительных статических давлений.
Интенсивные пульсации кавитационных полостей сопровождаются также значительным выделением тепла в околопузырьковую область. Накопление тепла происходит на границе раздела сред. Увеличение дисперсности твердой фазы промывочных растворов ведет к возрастанию температуры среды при кавитации. Диспергирование твердых частиц в условиях кавитации сопровождается гидромеханическим и термическим разрушением их адсорбционно-сольватных слоев. Диспергирование глины в растворе происходит в основном по слабым местам частиц – дефектам их кристаллических решеток, лиофильным участкам.
...

2.2.5 Лабораторные способы исследования седиментационной устойчивости.
На данный момент существует множество известных методов оценки седиментационной устойчивости буровых растворов. Рассмотрим наиболее распространенные из них:
Статический метод. Один из наиболее распространенных и простых методов. Проба бурового раствора погружается в роллерную печь, где нагревается до необходимой температуры, в течение заданного промежутка времени. Коэффициент оседания вычисляется по следующей формуле:

Где, где ρ1, ρ2 – плотность раствора в нижней и верхней части соответственно.
Значения коэффициента 0,5 – оседание барита отсутствует, свыше 0,52 – наблюдаются проблемы с поддержанием утяжелителя во взвешенном состоянии.
В лабораторных условиях проводят испытания оседания при большом угле наклона, так называемый тест «HAST».
...

2.2.5 Исследование устойчивости обратных эмульсий.
Растворы на углеводородной основе имеют ряд преимуществ перед растворами на водной основе, но сильная термозависимость дисперсионной среды влечет за собой «скрытые» негативные последствия: падение реологических характеристик приводит к оседанию выбуренной породы и утяжелителя, ухудшению качества очистки ствола скважин, росту коэффициента трения, неожиданному возникновению затяжек и посадок инструмента, прихватам. По этой причине при работе с ними уделяют большее внимание седиментационной устойчивости.
Известно, что для предотвращения седиментации твердой фазы необходимо поддерживать реологические характеристики на достаточно высоком уровне. В эмульсионных системах это можно сделать двумя способами: 1. Посредством регулирования соотношения углеводородной и водной фаз; 2. Вводом реагента – модификатора реологии (органофильная глина, полиаминированная жирная кислота, смесь димерных и тримерных жирных кислот).
2.2.
...

2.2.6 Седиментационная устойчивость цементных растворов.
В течении первых минут в цементном растворе цементные зерна остаются разрозненными и происходит водоотделение: цементная масса сдвигается вниз, вода поднимается вверх. Практически крупные и мелкие цементные зерна падают с одинаковой скоростью. Вода, проходя через опускающуюся цементную массу, остается почти чистой, свободной от мелких частиц.
Распределение воды в осевшей цементной массе не везде одинаково. В нижней части сосуда, в которой налит цементный раствор, количество воды будет меньше, чем в верхней части сосуда. Масса цементного раствора по высоте будет неоднородна.
Максимальное количество воды, способное выделиться из цементного раствора в результате седиментации частиц цемента, называется водоотделением цементного раствора. Оно зависит от природы цемента, его химической обработки, водоцементного отношения и дисперсности порошка.
...

1. Булатов А. И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин. Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. / А. И. Булатов. – М.: Недра, 1982. – 296 с.
2. Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Т. 1 / А. И. Булатов, А. Г. Аветисов. – М., Недра, 1985. – 412 с.
3. Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Т. 2 / А. И. Булатов, А. Г. Аветисов. – М., Недра, 1985. – 191 с.
4. Гордонов В. Д. Буровые растворы: Учебник для техникумов / В. Д. Гордонов. – М.: Недра, 1985. – 206 с.
5. Ермолаева Л. В. Механика буровых растворов: учебное пособие / Л. В. Ермолаева. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. – 47 с.
6. Мирзаджанзаде А. Х. Анализ и проектирование показателей бурения / А. Х. Мирзаджанзаде, Н. А. Сидоров, С. А. Ширинзаде. – М.: Недра, 1976. – 237 с.