удк 622.24 исследование кинетических и коркообразующих

82
УДК 622.24
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ И КОРКООБРАЗУЮЩИХ
СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТРУБОПРОВОДОВ
И РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
Исмаков Р.А., Мамаева О.Г, Конесев В.Г.1,
Вязниковцев С.Ф., Матюшин В.П., Конесев Г.В.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа
e-mail: 1 konesev.burenie@mail.ru
Аннотация. Строительство горизонтально-направленных скважин для вскрытия продуктивных пластов, для прокладки трубопроводов под препятствиями сопровождается потерей устойчивости стенок ствола, затяжками и прихватами инструментов. Вероятность возникновения и тяжесть указанных осложнений во многом зависят
от кинетических и коркообразующих свойств промывочных жидкостей. В данной статье приводятся результаты изучения влияния различных реагентов на характер седиментации частиц дисперсной фазы и показатели фильтрационных корок полимерглинистых растворов. На основе седиментационного анализа показана роль размера и фракционного состава частиц дисперсной фазы, сил взаимодействия между ними, вида реагентной обработки растворов на показатели их коркообразующих свойств.
Ключевые слова: фаза, корка, проницаемость, трение, седиментация, анализ,
дифференциальные кривые, дисперсность, фракция, аутогезия
Технология наклонно-направленного бурения, в частности горизонтальнонаправленных скважин, в том числе для прокладки трубопроводов под препятствиями, в последние годы бурно развивается [1].
Несмотря на широкое распространение этой технологии в мире и достигнутые успехи в совершенствовании методов и средств строительства подобных сооружений, актуальной остается задача сохранения стенок подземной выработки в
устойчивом состоянии [2].
Одним из способов снижения рисков обвалообразования в горных породах,
заклинивания бурильного инструмента в подобных условиях, является создание
на стенках скважины глинистых корок с высокими структурно-механическими,
прочностными и антифрикционными свойствами [3 - 5].
В глубоком бурении скважин предупреждение осыпей и обвалов горных
пород, слагающих стенки, достигается различными методами, но основным из
них является увеличение гидростатического давления на стенки ствола Pг = ρgH за
счет плотности раствора (ρ) и глубины (H). Однако скважины-переходы бурятся
на малой глубине, а повышение Pг за счет ρ может привести к поглощениям химически обработанной промывочной жидкости, что недопустимо из-за загрязнения
пресноводного комплекса (грунтовых и артезианских вод), рек и других водое-
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
83
мов. Глинизация стенок скважин-переходов регулированием коркообразующих
свойств растворов посредством управления процессом седиментации, формирования структуры и текстуры создаваемого на стенках надежного экрана, является
необходимым компонентом современной технологии бурения.
Данная статья посвящена актуальному вопросу изучения влияния седиментации и фракционного состава дисперсной фазы на коркообразующие свойства
буровых промывочных растворов. В этой связи целесообразным является комплексное изучение роли дисперсности частиц твердой (глинистой) фазы промывочного раствора в работе системы «глина-реагент-горная порода ствола скважины».
Известно, что одной из составляющих аутогезии [6] являются силы взаимодействия, обусловленные шероховатостью поверхностей трения, размером, формой, упаковкой и степенью дисперсности частиц твердой фазы. Проницаемость
фильтрационных корок также существенно зависит от этих же факторов. Поэтому
нами при изучении антифрикционных и фильтрационных свойств корок (табл. 1)
проводился седиментационный анализ [9, 10] исходного раствора (раствор № 1) и
растворов, в которых вводимые добавки являлись электролитами (растворы
№ 2 - 9). При проведении седиментационного анализа растворов № 7 - 9 анализировалось влияние калиевых мыл высших жирных кислот (ВЖК), которые составляют основу реагента ФК-2000.
Результаты седиментационного анализа растворов представлены как в виде
графиков – дифференциальные кривые демонстрируют распределение частиц по
размерам (рис. 1 - 3), так и в табличном виде (табл. 2).
Видно, что при добавке реагентов, способных оказывать влияние на размер
двойных электрических слоев (ДЭС), возможно получение полидисперсных и монодисперсных систем. При этом монодисперсные системы имеют более низкий
показатель проницаемости фильтрационных корок. Из рисунков видно, что повышению степени монодисперсности способствуют такие реагенты как кальцинированная сода и калиевые мыла ВЖК, в то время как каустическая сода практически
не изменяет дисперсность, и системы с ее добавками имеют полидисперсный
характер, как и у исходного раствора.
Из рис. 1 видно, что при увеличении концентрации калиевых мыл ВЖК
снижается монодисперсность системы. Это связано с тем, что с увеличением концентрации реагента происходит насыщение адсорбционного слоя на поверхности
глинистых частиц, образование на них гидрофобных оболочек, препятствующих слипанию частиц дисперсной фазы друг с другом.
Таким образом, одним из рычагов управления фильтрационными свойствами корок промывочных растворов является получение систем с монодисперсными частицами.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
84
Таблица 1. Влияние различных добавок
на фильтрационные и антифрикционные свойства корок
№
Состав
раствора
Проницаемость
К·106,
мкм2
Продолжительность неподвижного контакта, мин.
Удельная сила сопротивления сдвигу
Cуд(ад/аут), Н/м2
Коэффициент
трения µ
5
10
15
20
5
10
15
20
Удельная прочность
контакта на разрыв
Fуд(ад/аут), Н/м2
5
10
15
20
1
И.Р.
2,7
0,12 0,15 0,14 0,16
50
106 187 174 413
717 1392 1077
2
№1+
0,125 % Na2CO3
1,8
0,04 0,06 0,07 0,08
43
51
53
49 1022 894
775
3
№1+
0,25 % Na2CO3
1,3
0,05 0,06 0,07 0,07
37
34
57
79
815
547
876 1152
4
№1+
0,05 % NaOH
2,8
0,12 0,14 0,14 0,16
48
79
120 128 400
564
857
800
5
№1+
0,25 % NaOH
2,8
0,13 0,14 0,15 0,15
44
81
122 127 338
579
813
846
6
№1+
3 % (ФХЛС:
NaOH=5:1)
1,5
0,04 0,04 0,05 0,08
79
77
83
81 1976 1755 1770 1089
7
№1+
0,5 % ФК-2000
1,8
0,07 0,09 0,13 0,17
87
87
73
45 1243 967
562
265
8
№1+
1 % ФК-2000
1,7
0,08 0,09 0,11 0,12
41
49
55
66
513
544
500
550
9
№ 1 + 1,5 %
ФК-2000
1,6
0,08 0,09 0,12 0,12
55
66
55
89
688
733
458
742
589
Рис. 1. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам
для раствора № 1 (а) и растворов 7, 8, 9 (табл. 1), соответственно,
при добавках калиевых мыл ВЖК – 0,5; 1 и 1,5 % (b)
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
85
Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам для
растворов № 2, 3, соответственно, при добавках Na2CO3 0,125 % (а) и 0,25 % (b)
Рис. 3. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам для
растворов № 4, 5, соответственно, при добавках NaOH 0,05 % (а) и 0,25 % (b)
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
86
Антифрикционные свойства корок изучались по методике [5], использующей
модифицированный прибор КТК-2М. При рассмотрении влияния дисперсности систем на антифрикционные свойства корок видно, что растворы, имеющие монодисперсную систему, характеризуются низкими значениями коэффициента трения (растворы
№ 2, 3, 7–9), по сравнению с полидисперсными частицами (растворы № 1, 4, 5). Это
объясняется тем, что в фильтрационных корках полидисперсных систем для того, чтобы произошел сдвиг, частицам необходимо преодолеть некоторое зацепление относительно друг друга (механические силы зацепления), которое в полидисперсных системах, очевидно, больше, чем в монодисперсных системах.
Дифференциальная кривая раствора № 1 показывает, что в данном растворе содержатся частицы с меньшими радиусами, чем в растворах № 2 и № 3. С
одной стороны, это может способствовать увеличению числа контактов между
частицами, приходящимися на единицу поверхности, что способствует увеличению аутогезии, являющейся результатом действия сил молекулярного притяжения и электростатического отталкивания. С другой стороны, полидисперсность
может являться причиной появления больших зазоров между частицами, что значительно ослабляет аутогезию.
Рис. 4. Кинетические кривые удельной силы сопротивления сдвигу (С-1, С-2, С-3)
и удельной прочности контакта на разрыв (F-1, F-2, F-3) при отсутствии нагрузки
для пары "металл-фильтрационная корка" (1, 2, 3 – № раствора)
Для того чтобы рассмотреть кинетику изменения сил, характеризующих
аутогезию: Cуд(аут) (прочность корки на сдвиг) и Fуд(аут) (прочность корки на разрыв) в отсутствии нагрузки, по данным табл. 1 для растворов № 1 - 3 были построены графические зависимости их от времени (рис. 4).
Из анализа графических зависимостей Cуд(аут) = f (t) и Fуд(аут) = f (t) (рис. 4)
следует, что показатели, характеризующие прочность корки на сдвиг, имеют
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
87
меньшие значения, по сравнению с показателями, характеризующими прочность
корки на разрыв, и изменяются несущественно во времени. Это указывает на то,
что значительное влияние на трение оказывают прочностные свойства корки. При
детальном рассмотрении изменения прочности корки на разрыв для каждого раствора можно отметить следующее. Увеличение прочности корки на разрыв в первые 15 мин. для раствора № 1, имеющего полидисперсную систему, свидетельствует о том, что корка уплотняется под действием создаваемой на нее нагрузки
за счет имеющихся больших зазоров между частицами. Это подтверждается также
высоким показателем ее проницаемости. В последующие 5 мин. наблюдается
уменьшение прочности корки на разрыв вследствие превалирования сил электростатического отталкивания [6 - 8].
В растворах с монодисперсными системами наблюдается уменьшение прочности корки на разрыв в первые 10 мин., что связано с преобладанием положительного расклинивающего давления [11] за счет электростатического отталкивания, в последующие 15 и 20 мин. у второго раствора эта тенденция сохраняется, а
у раствора с большей дисперсностью частиц (раствор № 3) прочность корки увеличивается, что может быть связано с уменьшением положительного расклинивающего давления за счет преобладания сил молекулярного притяжения между частицами дисперсной фазы, вследствие чего происходит структурирование корки.
Следовательно, глинистые частицы в фильтрационной корке, отделенные друг от
друга сольватными слоями дисперсионной среды, могут, преодолевая энергетический барьер, взаимодействовать друг с другом с образованием структурных мостиков, создающих каркас фильтрационной корки и определяющих в той или иной
мере ее структурно-механические свойства.
Необходимо отметить, что постоянное уменьшение во времени прочности
корки на разрыв у второго раствора за счет преобладания электростатических сил
отталкивания характеризуется более высоким коэффициентом трения во времени,
по сравнению с раствором № 3, у которого после 10 мин. контакта с металлом начинается рост сил молекулярного притяжения, и увеличение коэффициента трения во времени идет менее интенсивно. Отсюда, можно сделать вывод, что причиной ухудшения антифрикционных свойств корки во времени является постоянное
действие электростатических сил отталкивания. Это объясняется тем, что в начальный момент сдвига нагрузка на корку уменьшается вследствие чего расстояние
между частицами увеличивается и превалирование сил отталкивания уменьшается, а начинает увеличиваться действие сил притяжения, которые и препятствуют
сдвигу. Это хорошо согласуется с теорией Б.В. Дерягина о молекулярной шероховатости трения, в которой доказано, что силы трения между абсолютно гладкими
поверхностями существенно зависят от электрических сил отталкивания [12].
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
88
Также рассматривалось влияние ФХЛС на размер и дисперсность частиц в
буровом растворе. В табл. 2 показан фракционный состав дисперсной фазы
раствора № 1 (без ФХЛС) и раствора № 6 (с ФХЛС).
Таблица 2. Влияние ФХЛС на фракционный состав бурового раствора*
Размер частиц по фракциям, мкм
Содержание частиц по фракциям
дисперсной фазы, %
без добавки
<5
3,37
5-7
15,34
7-8
36,64
8-9
25,72
9-20
16,38
20-40
2,55
>40
–
*ФХЛС – 3 %
Как показывают данные табл. 2, до ввода ФХЛС более 80 % частиц имели
размер в области 5 - 9 мкм. Добавка же ФХЛС способствует образованию конгломератов «глина - реагент». Поэтому около 70 % частиц имеют размер в области
более высоких значений от 9 до 40 мкм и выше. Это подтверждает комплексообразующие свойства данного реагента, в свою очередь, влияющие на связность
частиц, слагающих фильтрационную корку.
Выводы
Анализируя данные, полученные в результате проведения седиментационного анализа некоторых растворов, и сопоставляя их с антифрикционными и
фильтрационными свойствами корок, можно сделать следующие выводы:
1. Основными факторами, оказывающими влияние на свойства фильтрационных корок, являются:
– размер частиц дисперсной фазы – чем меньше размер частиц, тем лучше
антифрикционные и антифильтрационные свойства корок;
– степень дисперсности – улучшению антифрикционных и антифильтрационных свойств корок способствуют монодисперсные системы;
– связность корок – связанные между собой частицы дисперсной фазы либо
за счет непосредственного контакта, либо за счет образования комплексов глина - реагент, способствуют увеличению прочности корки, что сказывается на их
высоких антифрикционных свойствах;
– электрические явления на межфазных поверхностях, обусловленные зарядовым состоянием частиц, – отрицательное расклинивающее давление, являющееся результатом преобладания межмолекулярных сил притяжения над электроста-
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
89
тическими силами отталкивания, способствует упрочнению корки, положительное расклинивающее давление – уменьшает прочность корки.
2. Рост во времени коэффициента трения связан с постоянным действием
преобладающих электростатических сил отталкивания между частицами, слагающими фильтрационную корку, а также в случае полидисперсных систем за счет ее
уплотнения в результате действия постоянной нагрузки.
Литература
1. Спектор Ю.И., Мустафин Ф.М., Лаврентьев А.Е. Строительство подводных переходов способом горизонтально - направленного бурения: учеб. пособие.
Уфа: ООО «Дизайн Полиграф Сервис», 2001. 208 с.
2. Исмаков Р.А. Попов А.Н. Валитов Р.А. Обоснование прочностных расчетов стенок наклонной скважины // Нефтегазовое дело. 2003. Том 1. № 1.
С. 105 - 110.
3. Конесев Г.В., Мавлютов М.Р., Спивак А.И., Мулюков Р.А. Смазочное
действие сред в буровой технологии. М.: Недра, 1993. 272 с.
4. Мамаева О.Г. Улучшение технологических свойств фильтрационной
корки буровых растворов применением реагентов комплексного действия: диссер.
на соиск. учен. ст. канд. техн. наук. Уфа, 2007. 139 с.
5. Исмаков Р.А. и др. Разработка реагентов комплексного действия для
улучшения противоизносных и антифрикционных свойств безглинистых растворов // Башкирский химический журнал. 2011. Т. 18. № 2. С. 140 - 143.
6. Зимон А.Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. М.: Металлургия, 1978. 288 с.
7. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. В 2-х ч. Часть 2. Пер с англ.
М.: Мир, 1983. 520 с.
8. Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий.
М.: Химия, 1980. 400 с.
9. Дулицкая Р.А., Фельдман Р.И. Практикум по физической и коллоидной
химии. М.: Высшая школа, 1962. 340 с.
10. Фролов Ю.Г., Гродский А.С. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. М.: Химия, 1986. 216 с.
11. Вода в дисперсных системах. Под. ред. Дерягина Б.В., Чураева Н.В.,
Овчаренко Ф.Д. и др. М.: Химия, 1989. 288 с.
12. Дерягин Б.В. Что такое трение? М.: Изд-во АН СССР, 1952. 244 с.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
UDC 622.24
INVESTIGATION OF KINETIC AND PLASTERING PROPERTIES
OF DRILLING FLUIDS FOR PIPELINE DEVELOPMENT
AND DEVELOPMENT OF HYDROCARBON’S FIELDS
R.A. Ismakov, O.G. Mamaeva, V.G. Konesev,
S.F. Vyaznikovtsev, V.P. Matyushin, G.V. Konesev
Ufa State Petroleum Techological University, Ufa, Russia
e-mail: konesev.burenie@mail.ru
Abstract. There are many problems concerned with the stability of bore-hole walls,
tight pulls and sticking while drilling horizontal wells for drilling-in and pipeline building. This
drilling problems can be caused by the kinetic and plastering properties of drilling fluids. The
results of researching the influence of different agents on sedimentation of dispersed phase’s
solids and polimer-argillaceous filter cakes. The size and composition of dispersed phase’s solids dependence on the plastering properties of drilling fluids by sedimentation analysis is
shown in this article. The interforce of solids dependence on this properties is also shown here.
Keywords: phase, filter cake, penetrability, friction, sedimentation, analysis, fraction,
differentials curves, dispersity
References
1. Spektor Yu.I., Mustafin F.M., Lavrentev A.E. Stroitel'stvo podvodnykh
perekhodov sposobom gorizontalno - napravlennogo bureniya: ucheb. posobie
(Construction the underwater passages by horizontal directional drilling: textbook). Ufa,
DizainPoligrafServis, 2001. 208 p.
2. Ismakov R.A. Popov A.N. Valitov R.A. Obosnovanie prochnostnykh ras-chetov stenok naklonnoi skvazhiny (Justification of the wall rock stability calculations in
deviated well), Neftegazovoe delo - Oil and Gas Business, 2003, Vol. 1, Issue 1,
pp. 105 - 110.
3. Konesev G.V., Mavlyutov M.R., Spivak A.I., Mulyukov R.A. Smazochnoe
deistvie sred v burovoi tekhnologii (Lubricating action of media in drilling technology).
Moscow, Nedra, 1993. 272 p.
4. Mamaeva O.G. Uluchshenie tekhnologicheskikh svoistv fil'tratsionnoi korki
burovykh rastvorov primeneniem reagentov kompleksnogo deistviya (Improvement of
technological properties of drilling mud's filter cake using complex reagents). PhD
Thesis. Ufa, 2007. 139 p.
5. Ismakov R.A. i dr. Razrabotka reagentov kompleksnogo deistviya dlya uluchsheniya protivoiznosnykh i antifriktsionnykh svoistv bezglinistykh rastvorov () //
Bashkirskii khimicheskii zhurnal (Development of reagents with comprehensive action
to improve the antiwear and antifriction properties of clayless solutions), Bashkirskii
khimicheskii zhurnal, 2011, Vol. 18, Issue 2, pp. 140 - 143.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru
6. Zimon A.D., Andrianov E.I. Autogeziya sypuchikh materialov (Autohesion of
granular materials). Moscow, Metallurgiya, 1978. 288 p.
7. Braun T., Lepii G.Yu. Khimiya v tsentre nauk. Part 2. Moscow, Mir, 1983.
520 p. (Transl. from: Brown T.L., LeMay H.E. Chemistry: the central science, PrenticeHall, 1981).
8. Zhuzhikov V.A. Fil'trovanie: Teoriya i praktika razdeleniya suspenzii (Filtering: theory and practice of suspensions separation). Moscow, Khimiya, 1980. 400 p.
9. Dulitskaya R.A., Fel'dman R.I. Praktikum po fizicheskoi i kolloidnoi khimii
(Laboratory manual on physical and colloid chemistry). Moscow, Vysshaya shkola,
1962. 340 p.
10. Laboratornye raboty i zadachi po kolloidnoi khimii (Laboratory works and
tasks on colloidal chemistry). Eds: Frolov Yu.G., Grodskii A.S. Moscow, Khimiya,
1986. 216 p.
11. Voda v dispersnykh sistemakh (Water in disperse systems). Eds: Deryagin B.V., Churaev N.V., Ovcharenko F.D. et al. Moscow, Khimiya, 1989. 288 p.
12. Deryagin B.V. Chto takoe trenie? (What is friction?). Moscow, Izd. Akad.
Nauk SSSR, 1952. 244 p.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2011, № 6
http://www.ogbus.ru