ЛекцииПЖ_1_2013

Лекция №1

Буровые промывочные жидкости Конспект лекций для группы РБ-09-1 и 2

Осенний семестр 2012 г.

1.Представление

2.Организация изучения дисциплины

Лекции –осенний семестр 2 ч каждую неделю(36 ч)

Семинарские занятия – 1 раз в 2 недели( 18 ч)

Лабораторные работы – 8 по 2 часа КР1,2-4н,8н

Осенний семестр – зачет/экзамен Литература:

1.Н.Л. Глинка – Общая химия, глава 10 «Дисперсные системы, коллоиды»

2.А.И. Булатов, А.И. Пеньков, Ю.М. Проселков – Справочник по промывке скважин,

М:Недра 1984 г.

3.А.И. Булатов, А.Г. Аветисов – Справочник инженера по бурению, т. 1 радел 2.4. – .3.6., т. 2 разделы 3.2-4.2.3.2.

4.А.А.Сазонов – Промывка скважин и промывочные растворы, часть 1 Состав и свойства глинистых растворов, конспект лекций, Москва, 2009 г

5.А.А. Сазонов «Регулирование свойств буровых промывочных и тампонажных растворо»,

конспект лекций М – 2010

6.Л.В. Борисенко Промывочные жидкости и промывка скважин – Методические указания к лабораторным работам, 1996 г

7.А.А. Сазонов – Практикум по выбору оптимального сочетания концентраций реагентов при химической обработке буровых растворов»,Методические указания к проведению семинарских занятий, М 2010

1

Лекция №1 Введение

Процесс углубления скважины –разрушение породы долотом на забое. Углубление скважины возможно если:

-разрушаемая порода удаляется с забоя постоянно и выносится из скважины на поверхность

-постоянно охлаждается породоразрушающий инструмент

Эти функции могут выполняться только потоком циркулирующего агента, непрерывно подаваемого к забою скважины и выходящего из скважины вместе с обломками выбуренной породы. Промывка ( или продувка ) скважины в процессе разрушения породы на забое – неотъемлемый элемент технологии вращательного(роторного) бурения.

Циркуляционный агент ( промывочная жидкость , буровой раствор ) обеспечивает возможность углубления скважины.

Влияние буровой промывочной жидкости на показатели бурения, продуктивность и долговечность скважины.

При правильном выборе типа состава и свойств циркуляционного агента:

-достигается высокие скорости проходки;

-сокращаются затраты времени на ликвидацию осложнений, которые замедляют или могут полностью прекратить углубление скважины и привести к ее ликвидации;

-обеспечивается высокая продуктивность скважины;

-обеспечивается надежность и долговечность скважины, как сооружения.

Что изучает дисциплина «Буровые промывочные жидкости»

1.Функции, состав и свойства буровых растворов.

2.Методы и средства регулирования свойств,

3.Оборудование для размещения, приготовления регулирования свойств, содержания твердой фазы и дегазации буровых растворов.

4.Методику выбора вида и свойств промывочной жидкости для конкретных геологических условий.

Функции промывочных жидкостей

Основные функции промывочных жидкостей(ПЖ)

-вынос шлама, очистка забоя

-охлаждение долота

-гидравлическое забойное движение(ГЗД) – передача энергии.

1. Процесс промывки неотъемлемая часть процесса вращательного(роторного) бурения. Выбор ПЖ для бурения скважин позволяет получить:

увеличение механической скорости проходки уменьшение осложнений в скважине, увеличить процесс сохранения скважины.

минимальное загрязнение продуктивного пласта, быстрый ввод скважины в эксплуатацию; обеспечение долговечности скважины.

1-4 – это основные функции ПЖ. Дополнительные функции ПЖ следующие:

-создание противодавления на вскрытые скважиной пласты ;

-создание выталкивающей силы по закону Архимеда и снижение нагрузки на подъемные механизмы бурового станка;(БУ)

-снижение силы трения породоразрушающего инструмента, обсадной колонны и породы. удержание во взвешенном состоянии твердых частиц шлама, утяжелителя, наполнителя при нахождении ПЖ в покое

-укрепление стенок скважины в рыхлых проницаемых породах посредством образования фильтрационной корки.

2

ТРЕБОВАНИЯ К ПЖ.

Буровой раствор должен :

-не затруднять разрушение горной породы (ГП);

-не засорять продуктивный пласт;

-не разъупрочнять стенки скважины;

-не должен затруднять проведение геолого-технологических исследований (ГТИ);

-не должен вызывать коррозии оборудования

-не загрязнять окружающую среду(ОС);

-не быть токсичным и пожароопасным.

ВОДА, КАК БУРОВАЯ ПРОМЫВОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ

Вода – эта самая первая промывочная жидкость. В 80-е годы двадцатого столетия метраж проходки с использованием воды в качестве ПЖ составлял 25%,

1. Вода обеспечивает высокие показатели работы долота( то есть высокая механическая скорость проходки)

Вследствие отсутствия твердой фазы вода имеет:

-малую плотность ПЖ

-малую вязкость

-отсутствие фильтрационной корки

Благодаря этому мы и имеем высокую механическую скорость проходки

1)Доступность и дешевизна

2)Простота эксплуатации(использования в качестве ПЖ)- нет необходимости в контроле реологических свойств бурового раствора

НЕДОСТАТКИ.

1)малая плотность откуда следует, что при бурении и вскрытии пласта с повышенным пластовым давлением Рпл использовать воду в качестве промывочной жидкости (ПЖ ) нельзя, так будет

газонефтеводопроявление (ГНВП)

2.) низкая вязкость следовательно слабая выносная способность

3)отсутствие способности к структурообразованию, следовательно нет удерживающей способности

4)при контакте с глинистыми породами вода их легко разъупрочняет, что приводит в обвалообразованию.

5)Если вода попадает в продуктивный пласт вызывает снижение КИН , т.е. загрязнение продуктивного пласта.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Используется при бурении интервалов устойчивых горных пород не содержащих пластов с повышенным пластовым давлением и продуктивных пластов.

Впервые воду, как промывочную жидкость использовали в 1950 году в Куйбышевской области, Башкирии и Татарии на Ромашкинском месторождении примерно 500 метров карбоновых + глинистые породы( доломиты и известняки) все эти интервалы бурят на воде.

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ

Можно незначительно регулировать свойства воды, как промывочной жидкости(ПЖ), т.е. повысить плотность воды для этого растворить в воде соли. Это дает возможность расширить область применения воды, как ПЖ На основе воды можно получить следующие «тяжелые» рассолы:

NaCl ρ0 =1,20 г/см3

СаCl2 + CaBr2

ρ0 =1,81г/см3

3

KCl	ρ0	=1,17 г/см3		CaBr2+ZnBr2	ρ0 = 2,30 г/см3
MgCl2	ρ0	=1,32	г/см3
CaCl2	ρ0	=1,39	г/см3
NаBr	ρ0	=1,51	г/см3

Данные растворы могут использоваться при проведении капитального ремонта скважин (КРС).

Таким образом, растворяя соли можно повышать удельную плотность бурового раствора.

1)Улучшение смазочных свойств ПЖ на основе воды Для этого можно использовать ПАВ( при этом ПАВ предварительно растворяется в воде) получаем сульфонал, ОП-10, другие реагенты, концентрация которых в воде как ПЖ не превышает 1,5%

ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ КАК ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.

Дисперсные системы – смесь взаимно нерастворимых жидкостей или веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях Непрерывное вещество в дисперсной системе называется дисперсионной средой.

Раздробленное вещество в дисперсной системе называется дисперсной фазой. Характерным признаком дисперсной системы является наличие поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.

	По размеру частиц
Дисперсная система		Наибольший размер частиц дисперсной фазы,
		мкм
Грубодисперсная		Более 1 мкм
Микрогетерогенная		От 0,1 до 1 мкм
Коллоидно-дисперсная		0,001 до 0, 1 мкм

По агрегатному состоянию

		дисперсная фаза	название(пример)
	ГАЗ	газообразная	туман, облако, аэрозоль
		жидкая	гомогенные газовые смеси
		твердая	пыль, дым
		газообразная	пены, газовые эмульсии
	ЖИДКАЯ	жидкая	эмульсии
			суспензии, коллоидные
		твердая	растворы

Промывочные жидкости гетерогенные – сложные дисперсные системы.

КЛАССИФИКАЦИЯ БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ Ж.ИДКОСТЕЙ.

4

	Агрегативное состояние		Агрегативное состояние дисперсной фазы
	дисперсной фазы		Капельные жидкости		газообразные
			Природа дисперсионной среды
	Отсутствует		ВОДА	ОРГАНИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ
	Отсутствует	1.	вода		воздух
		2 - раствор солей		НЕФТЬ И НЕФТЕПРОДУКТЫ
		1.	Растворы	Безводные растворы на
		высокомолекулярных
		соединений
		2.	Глинистые растворы
	Твердое	3, Неглинистые шламовые
		суспензии
		4.	Гидрогели и солегели
		5.Асбогели и асбогуматы		углеводородной основе
		6.	Торфогуматы
	твердая и жидкая		Эмульсионные глинистые	Обращенные инвертные
			растворы и растворы с
	дисперсные фазы	неглинистой дисперсной фазой		эмульсионные растворы
	Газообразная дисперсная		Аэрированные жидкости и
	фаза		пены

Удельная поверхность – это суммарная поверхность частиц дисперсной фазы, которая до раздробления в твердом теле имела размер V = 1 см3 или 1 г.

V = a3

S = 6a2

Sу =

S

=

6

Sу = к

1

, где

V

a

l

l – линейный размер наибольшей частицы.

Размер ребра кубика

Поверхность кубика

Число кубиков

1 см

6 см2

1

1 м = 10−1 см

6 *10−2

103

10−4

=1 мкм

6

*10

−8

1012

10−7

=1нм

6

*10

−14

1021

Sу cм3/см3

6 6*10=60 см2/ см3

6*104= 6м2

6*107= 6000 м2

ОБЪЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

Растворы на водной основе	Более 99%
Из них с использованием технической воды	Примерно 25%
Глинистые растворы	Примерно 75%
Остальные типы растворов	Менее 1%

ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ

а) Глинистые растворы 1. глинистые растворы как дисперсные системы

Глинистый раствордисперсионной средой является вода или водный раствор химических реагентов. В дисперсионной среде присутствует твердая дисперсная фаза.

Твердая дисперсная фаза

Активная	Инертная
( глина и молекулы полимеров)	(утяжелитель, обломки выбуренной породы
	Накопитель + полезная твердая фаза, нежела-
	тельный шлам )

5

Жидкая дисперсная фаза – смазывающая добавка Газовая дисперсная фаза – пузырьки воздуха(газа)

Свойства глинистых растворов определяет глина.

ГЛИНА – АКТИВНАЯ ДИСПЕРСНАЯ ФАЗА.

Глина – это осадочные обломки горных пород (ГП), в составе которых преобладают глинистые материалы и другие частицы.

Глинистые материалы – это микрокристаллические тела. В зависимости от строения кристаллической решетки они делятся на 5 групп:

1 Группа	-	монтмориллониты
2. Группа	-	иллиты (гидрослюды)
3. Группа	-	хлориты
4. Группа	-	каолиниты
5. Группа	-	палыгорскиты

4 и 5 группы – это слоисто-ленточные материалы. Наиболее важные – это глины, относящиеся к 1 группе.

6

Лекция №2

3. Строение кристаллической решетки глинистых материалов.

В кристаллической решетке слои соединяются между собой через общие атомы кислорода. Таким образом кристаллическая решетка минерала состоит из налегающих друг на друга решеток октаэдра(ов) и тетраэдра(ов)

4. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК МОНТМОРИЛОНИТА ( МТМ)

5. СТРОЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЧЕШУЙКИ МОНТМОРИЛОНИТА

7

Особенность кристаллической решетки монтмориллонита состоит в том , что она состоит из 3-х слоев, часть атомов алюминия в октаэдрическом слое замещена атомами магния или железа Fe(II) в результате замещения кристаллические решетки преобразуют отрицательный электрический

заряд, отрицательный заряд нейтрализуется адсорбированными(поглощенными) катионами Na+, Ca2+, Mg2+.

80% этих катионов содержится в межплоскостном промежутке а 20% катионов – у краев чешуек, на краях чешуек кристаллическая решетка механически обломана, поэтому на краях чешуек имеются участки как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные, между соседними чешуйками в кристалле действуют слабые силы межмолекулярного притяжения, кристаллическая решетка монтмориллонита раздвижная. В водной среде в межплоскостной промежуток адсорбируется (поглощается) дополнительное количество воды, в результате адсорбции воды ширина межплоскостного промежутка(МП) увеличивается, происходит набухание глины, увеличивается ее объем, форма чешуек из плоских тонких размером примерно 15 нм по толщине и 500-2000 нм по длине и ширине.

6. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК ДРУГИХ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ.

а) иллит

Решетка 3-х слойная как и монтмориллонита. В тетраэдрическом слое Si замещен Al Поглощенными катионами являются преимущественно катионы К+ прочно связанные между собой соседними элементарными чешуйками глины(ЭЧ), иллит не набухает как монтмориллонит.

б) каолинит Решетка у каолинита 2-х слойная, октаэдрический слой и тетраэдрический слой. Электрический

заряд решетки обусловлен лишь ее дефектами. ЭЧ каолинита прочно связаны между собой водородными связями, каолинит также как и иллит плохо набухает.

ХЛОРИТ Решетка у хлорита – 4-х слойная , между трехслойными ЭЧ ( как у монтмориллонита )

расположен слой брусита ( Mg(OH)2). Решетка электрически нейтральна, хлорит практически не набухает.

ПАЛЫГОРСКИТ

Кристаллическая решетка состоит из 3-х слойных брусков( как у монтмориллонита ) соединенных между собой по ребру.

Расположение слоев между брусками, продольные каналы для адсорбции воды и поглощеничя катионов. Решетка нераздвижная как МТМ, то есть палыгорскит не набухает, форма частиц палыгорскита – игольчатая и имеет размеры ( 10х10х1000 нм)

РОЛЬ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ГЛИНЫ В ТЕХНИКЕ БУРЕНИЯ.

Глины, как материал для глинистых растворов:

8

пресные растворы Чем больше влажность глинистых минералов группы №1 используемых для приготовления

глинистого раствора, тем выше качество глины, при меньшем расходе глины раствор более высокого качества.

соленые растворы Монтмориллонит плохо гидратируется ( плохо адсорбирует воду Н2О ) и трудно

диспергируется. Для придания соленому раствору удерживающей способности в нем необходимо присутствие палыгорскита.

ГЛИНИСТЫЕ ПОРОДЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ РАЗРЕЗЕ СКВАЖИНЫ.

При высоком содержании глинистых минералов группы №1 в разбуриваемых горных породах(ГП) глина подвергается гидратации ( адсорбирует воду из промывочной жидкости), диспергируется и переходит в твердую фазу ПЖ, вызывая сильное загустевание бурового раствора , что приводит к получению большого избытка объема бурового раствора.. Глинистые породы слагающие стенку скважины разъупрочняются, что ведет к обвалам.

СИСТЕМА ГЛИНА-ВОДА.

Поверхностная энергия.

Для достижения поверхности гл.частицей затрачивается энергия. Энергия, затрачиваемая частицей на подъем к поверхности на 1 площади называется удельной поверхностной энергией и обозначается через σ , удельную поверхностную энергию иногда называют поверхностным натяжением. Удельная площадь в глинистом растворе составляет 800 м2/г

∆Е =σ * ∆S

Где σ - удельная поверхностная энергия( или поверхностное натяжение)

∆S - удельная площадь в глинистом растворе , для зоны раздела кварц-вода σ = 780 мДж/м2

ОБЩЕЕ ПРАВИЛО.

В любой дисперсной системе самопроизвольно идут процессы, уменьшающие общий запас энергии (СПЭ)- свободная поверхностная энергия.

-уменьшение свободной поверхностной энергии(СПЭ) происходит за счет уменьшения удельной поверхностной энергии ( σ ) , что достигается за счет адсорбции.

-снижение удельной площади S – идет за счет коагуляции глинистых частиц. Адсорбция – это поглощение вещества из газовой или жидкой фазы поверхностным слоем

твердого вещества или жидкости приврдящее к снижению удельной поверхностной энергии( поверхностное натяжение ) по поврехности раздела фаз.

Вещество на поверхности которого происходит адсорбция называется адсорбент, а то которое поглощается – называется адсорбтив.

9

	ВИДЫ АДСОРБЦИИ
Химическая	физическая

Химическая адсорбция осуществляется в результате действия валентных связей на поверхности адсорбента в результате которой на поверхности адсорбента образуются химические соединения в результате чего химическая адсорбция необратима( например стекло на поверхности глины )

Физическая адсорбция , осуществляется под действием: водородных связей ( адсорбция Н2О на глине )

силы электростатического притяжения ( адсорбция катионов на поверхности глины ) силы межплоскостного притяжения ( эмульгатор на каплях жидкой фазы)

Адсорбтив может быть удален с поверхности адсорбента процесс обратим – десорбция.

Физическая адсорбция используется для регулирования свойств промывочных жидкостей.

АДСОРБЦИЯ ВОДЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИНЫ.

Вводной среде между атомами кислорода и воды действуют водородные связи на поверхности глины адсорбируется слой молекул Н2О

Врезультате действия водородных связей между атомом кислорода и Н2О а также между диполями Н2О и последующими слоями, на поверхности глины образуется несколько слоев молекул воды , которая на поверхности частицы глины образует гидратную оболочку ( гидратация глины), вода, образующая гидратную оболочку на поверхности глинистой чпстицы называется физически связанной водой ( Н2О)

Особенности физически связанной воды.

при адсорбции вода образует шестигранную сетку и преобразует упорядоченное квазикристаллическое строение, что приводит к тому что адсорбированная вода имеет меньший удельный вес ( примерно на 3% меньше) т.е. она становится более плотной.

Физически связанная вода обладает большей вязкостью Адсорбированная вода прочно связана с поверхностью глины, глина адсорбирует(поглощает)

воду и набухает.

АДСОРБЦИЯ КАТИОНОВ ГЛИНЫ.

Решетка монтмориллонита имеет отрицательно заряженные частицы, поэтому на них адсорбируются катионы солей, содеожащихся в воде( идет поглощение катионов) в соленой воде Na+ присоединяет Ca++ или K+ или Mg++

ВЛИЯНИЕ ВИДА ПОГЛОЩЕНИЯ КАТИОНОВ НА ГИДРАТАЦИЮ И ДИСПЕРГИРОВАНИЕ БЕНТОНИТОВОЙ ГЛИНЫ.

Бентонит – это глинистый порошок в частицах которого преобладает монтмориллонит(МТМ)

Существует два вида бентонитового порошка.

Натриевый бентонит Кальциевый бентонит Глина находится в воздушно-сухом состоянии.

10