ЛекцииПЖ_1_2013

Натриевый бентонит	Кальциевый бентонит
Замена воды

Лучше гидратирует	Частицы кальциевого бентонита лучше связаны
	Друг с другом, адсорбция Н2О по МП ограничена и
	набухание слабое.

Раствор перемешали, получили:

Натриевый бентонит хорошо гидратирует	Кальциевый бентонит гидратируется плохо
, сильно набухает и легче диспергирует	диспергируется значительно труднее натрие-
	вого бентонита

РОЛЬ ВИДА ПОГЛОЩЕНИЯ КАТИОНОВ В ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ

Сырье для приготовления глинистых растворов.

Параметры	Натриевый бентонит	Кальциевый бентонит
Концентрация глины в растворе	Менее 3% по объему	Более 10% по объему
стандартной вязкости
Плотность глинистого раствора	Менее 1050 кг/м3	Более 1100 кг/м3
Фильтрационная корка	Малопроницаемая, тонкая	Проницаемая, толстая
Водоотдача	Менее 15 см3/30мин	Более 15 см3/30 мин

Натриевый бентонит более предпочтителен для использования в глинистых растворах.

ГЛИНА КАК ЧАСТЬ РАЗБУРИВАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОД(ГП)

Влияние на свойства	Легко диспергируется, остается	Трудно диспергируется, менее
глинистого раствора	в растворе, раствор сильно	интенсивное загустевание
	загустевает	глинистого бурового раствора
Влияние на устойчивость	Сильно набухание глины	Слабое набухание, стенки
стенок скважины	,содержащейся в глинистой	скважины более устойчивы,
	породе, теряет устойчивость	меньше неприятностей при
	стенки скважины,	бурении.
	объемообразование
		11

Лекция № 3

ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ГЛИНЫ

Обменная адсорбция неорганических катионов.

Глинистая суспензия + электролит, содержащий катион, природа которого отлична от поглощенных катионов приводит к тому, что посторонние катионы вытесняют поглощенные катионы с поверхности глинистых частиц и занимает их место.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ КАТИОННОГО ОБМЕНА

1.Обмен катионов происходит в эквивалентных количествах ( Са2+ → 2 Na+)

2.способность к замещению катионов завсист от заряда ( валентности ) катиона и его радиуса в негидратированном состоянии

Ряд Гофмейстера H+>Ba2+>Sr3+>Ca2+>Cs2+>Rb+>K+>Na+>Li+

Замещение увеличивается при увеличении концентрации замещающего катиона в растворе.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТИОННОГО ОБМЕНА В ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ.

1. Преобразование кальциевой глины в натриевую

Ca-глина + Na2CO3 → CaСO3 ↓ + Na-глина

Врезультате катионного обмена :

-усиливается гидратация, облегчается диспергирование глины = увеличивается выход раствора на 1 тонну глины, улучшается качество раствора.

Применение:

А) для модифицирования глинистых порошков при производстве на заводах Б) при получении глинистого раствора самозамесом в процессе разбуривания глинистых

пород верхней части разреза.

2.Преобразование Na монтмориллонита в Са-монтморилонит или иллит при бурении

неустойчивых глинистых пород способных к набуханию Na-монтморилонит + CaSO4 →Ca –монтмориллонит + NaSO4

+ Ca(OH)2		+ NaOH
+ CaCl2		+ NaCl
Na-монтморилонит + КСl →K –монтмориллонит + NaCl
+ KОН	( иллит )	+ NaOH
+ К3СО3		+ Na2CO3
+ CH3COOK		+ CH3COONa

Глинистын породы теряют способность к набуханию или она уменьшается. Уменьшается и способность к диспергированию. Улучшается устойчивость стенок скважины и уменьшается загустевание бурового раствора

ОБМЕННАЯ ЕМКОСТЬ – это мера способности к обменной адсорбции катионов ( мг.эв/100г

глины)
Монтмориллонит	70-130 Мэв/100 г.
Иллит	10-40
Хлорит	10-40
Каолинит	3-15
Палыгорскит	10-35

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБМЕННОЙ ЕМКОСТИ

12

1.Приближенная оценка минералогического состава глинистых пород;

2.Оценка содержания бентонита ( активной глины ) в буровом растворе.00,

ОБМЕННАЯ АДСОРБЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КАТИОНОВ.

В результате обменной адсорбции органических катионов гидрофильная поверхность глины превращается в аморфногельную( гидрофобную), в результате получается аморфногельная глина которая используется в промывочных жидкостях или буровых растворах на углеводородной основе( РУО)

АДСОРБЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ АНИОНОВ.

Адсорбцию неорганических анионов будем рассматривать на примере гидроокиси, фосфатионов, и силикатионов. При адсорбции неорганических анионов в глинистом растворе изменяются реологические свойства.

АДСОРБЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ АНИОНОВ.

Положительный заряд формируется на краях решетки глины , здесь происходит изменение свойств глинистого раствора за счет адсорбции органических анионов и происходит регулирование свойств глинистого раствора за счет этой адсорбции.

ГЛИНИСТЫЕ СУСПЕНЗИИ.

СТРОЕНИЕ ГЛИНИСТОЙ ЧАСТИЦЫ В СУСПЕНЗИИ

Каждая глинистая частица имеет свой полный комплект поглощенных катионов. В водной среде происходит адсорбция воды и частицы приобретают гидратную оболочку. Имеются две тенденции:

1.Вода стремится растворить глину, оторвать от глинистой частицы поглощенные ею катионы. Катионы стремятся равномерно распределиться в дисперсионной среде.

2.Силы электростатического притяжения удерживают катионы у поверхности частицы так, что концентрация их в единице объема постепенно убывает по мере удаления от поверхности частицы ( как концентрация воздуха в атмосфере Земли )

Часть катионов располагается непосредственно у поверхности частицы на расстоянии радиуса иона. Эту часть «катионной» атомсферы называют – неподвижный слой катионов.

Остальные катионы рассеянные около частицы образуют диффузный слой « катионов. Катионы, окружающие частицу гидратированы на поверхности частицы ,адсорбировано

несколько слоев молекул воды.

Адсорбированная вода образует вокруг глинистой частицы гидратную оболочку. Таким образом, каждая частица в водной суспензии окружена взаимопроникающими:

13

-гидратной оболочкой адсорбированной физически связанной воды;

-атмосферой полгощенных катионов.

ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ

Коллоидный раствор AgJ в растворе KJ. Частица AgJ адсорбирует родственные ионы J- и получает отрицательный заряд. Ионы J- - потенциало определяющие ионы.

Отрицательно заряженные частицы адсорбируют катионы К+, которые нейтрализуют заряд слоя потенциалопределяющих ионов J- Ионы К+ - противо ионы.

Двойной электрический слой:

А) слой адсорбированных потенциал-определяющих ионов; Б) противо ионов.

В глинистой суспензии:

Роль потенциал определяющих ионов выполняет отрицательно заряженная поверхность глинистой частицы ( первый слой )

Слой противо инов образуют поглощенные катионы.

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ И СУСПЕНЗИЯХ.

При пропускании постоянного электрического тока через глинистую суспензию ( разбавленную ) частицы глины перетекают к аноду = электрофорез тем самым подтверждается наличие отрицательного заряда у глинистых частиц.

2. Если твердая фаза зафиксирована и перемещаться не может, то при пропускании постоянного тока происходит перемещение протвоионов и увлекаемоц ими воды к катоду = электроосмос.

– подтверждается наличие диффузного слоя гидратированных катионов вокруг глинистых частиц, перемещающихся вместе с гидратирующей водой.

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ( ДЗЕТА ) ξ - ПОТЕНЦИАЛ.

14

ξ - потенциал поверхности глинистой частицы. Потенциал дисперсионной среды равен 0. В атмосфере поглощенных катионов потенциал падает от ξ .до 0.

При электрофорезе:

Каноду перемещаются:, глинистая частица, катионы подвижного слоя и часть катионов диффузного слоя.

Ккатоду перемещаются:

Катионы внешней части диффузного слоя.

Если на специальной лабораторной установке измерить скорость перемещения частиц глины в электрическом поле , то по этой скорости можно рассчитать величину потенциала поверхности скольжения, то есть электрокинетический или ξ . потенциала.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ξ - ПОТЕНЦИАЛА.

Велична дзета потенциала характеризует толщину диффузного слоя катионов глинистых частиц и толщину гидратной оболочки. Следовательно величина ξ .-потенциала характеризует

агрегативную устойчивость дисперсной системы.

Величиной ξ .-потенциала пользуются при исследовании влияния химических реагентов на свойства глинистых растворов.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.

Поверхностная энергия дисперсных систем: E= σS самопроизводльно уменьшается за счет уменьшения площади поверхности раздела фаз при взаимном слипании частиц дисперсной фазы.

Самопроизвольное слипание частиц дисперсной фазы называется – коагуляцией. Она характерна для любых дисперсных систем в том числе и для глинистых растворов.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ – это способность дисперсных систем противостоять коагуляции, сохранять исходную дисперсность.

ФАКТОРЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТИВНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ И

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР.

Броуновское движение приводит к тому, что частицы движутся навстечу друг-другу. При сближении частиц между ними действуют:

-электростатические силы отталкивания диффузнных слоев.

-силы межмолекулярного притяжения.

15

Законы изменения энергии отталкивания и энергии притяжения между частицами от расстояния между ними разные.

С- концентрация ионов в растворе δ - толщина диффузного слоя частиц

γ - величина, зависящая от потенциала частиц.

А – константа Гамакера.

Так как закономерности изменения энергий взаимодействия разные, то на разных расстояниях между частицами результрающее взаимодействие таково:

-на больших расстояниях взаимодействие отсутствует;

-на расстояниях l=a действуют силы взаимного притяжения ( слабые )

-на расстоянии l < a действуют силы отталкивания, препятствующие сближению частиц и их контакту;

-на малых расстояниях преобладают силы взаимного притяжения, которые обуславливают слипание частиц.

Чтобы произошло слипание частиц дисперсной фазы ( коагуляция ) частицы должны преодолеть силы взаимного отталкивания, которые условно называют – энергетический барьер.

Энергетический барьер – энергия взаимного отталкивания диффузных слоев частиц дисперсной фазы, препятствующее сближению частиц и их слипанию, то есть коагуляции дисперсных систем.

Структурно-механический барьер

При сближении частиц они соприкасаются прежде всего своими гидратными оболочками. Вода в гидратных оболочках обладает повышенной вязкостью. Оболочки – упругие. Они мешают сближению частиц на малые расстояния, где преобладают силы притяжения. Частицы не могут слипаться, коагуляции не происходит.

Так как вода в гидратных оболочках обладает квазикристаллической структурой сопротивление гидратных оболочек сближению частиц дисперсной фазы называют структурно-адсорбционным фактором устойчивости или, по аналогии с предыдущими факторами устойчивости – структурномеханическим барьером.

Итак, агрегативная устойчивость дисперсных систем обеспечивается взаимным отталкиванием диффузных слоев частиц дисперсной фазы и механическим сопротивлением гидратных оболочек их сближению.

16

Лекция №4

КОЛЛОИДНАЯ ЗАЩИТА

Адсорбция гидратированных полианионов органических реагентов или их макромолекул на глинистых частицах ведет к образованию мощных защитных оболочек, что в свою очередь ведет к усилению структкурно-механического фактора агрегативной устойчивости и к предотвращению слипания глинистых частиц ( коагуляции)

Усиление структурно-механического фактора агрегативной устойчивости за счет адсорбции органических реагентов называют коллоидной защитой а сами реагенты называют защитными коллоидами.

СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ. 1) Структурные свойства.

Неравномерность распределения гидратной оболочки и катионной атмосферы вокруг глинистых частиц

-толстые – на гранях

-тонкие – на краях

Столкновение гранями не дает возможности сцепления глинистых частиц., столкновение краями, или кромки с гранью ведет к сцеплению частиц за счет действия сил взаимного притяжения. При нахождении раствора в покое в результате сцепления край с гранью и край с краем в глинистом растворе образуется пространственный каркас – структура. В ячейках структуры находится свободная вода. Раствор застудневает.

Сцепление глинистых частиц при образовании структуры – есть коагуляция. Свободная вода не выделяется из глинистого раствора, оставаясь в ячейках структуры. Такая стадия коагуляции называется – гидрофильной коагуляцией., а структура называется коагуляционной.

17

ТИКСОТРОПИЯ

Структурообразование – обратимый процесс. Механическое воздействие приводит к разрушению структуры, а покой – к ее восстановлению. Способность системы восстанавливать структуру после механического перемешивания называется тиксотропией.

РОЛЬ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ БУРЕНИИ И ЗАКАНЧИВАНИИ СКВАЖИН.

Слишком слабая структура	Структура достаточно прочная	Чрезмерно-прочная структура
Не препятствует осаждению	Обеспечивает удержание во	Способствует возникновении
утяжелителя и других твердых	взвешенном состоянии	высоких гидродинамических
частиц, содержащихся в	утяжелителя, выбуренного	давления при спуске и подъеме
глинистом растворе, всплытию	шлама, углеводородов и газа	бурильной колонны, что
капель углеводородами	содержащихся в дисперсной	создает опасность поглощений
пузырьков газа дисперсной	фазе при нахождении	и проявлений обусловленных
фазы, способствует нарушению	глинистого раствора в покое,	возникновением высоких
седиментационной	способствует	пусковых давлений насоса.
устойчивости бурового	седиментационной	Затрудняет спуск
раствора ( БР )	устойчивости системы.	геофизических приборов в
		скважину.
		Затрудняет очистку и
		дегазацию бурового раствора
		затрудняет вытеснение из
		затрубного кольцевого
		пространства бурового раствора
		при его цементировании и
		создает опасность
		некачественного разобщения
		пластов.

Таким образом структурообразование – полезной необходимое свойство, но в ограниченных пределах

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СТРУКТУРЫ РАСТВОРА ВО ВРЕМЕНИ.

«Хрупкая» структура образуется почти мгновенно и прочность ее со временем увеличивается незначительно. «Упрочняющая структура» образуется в течение длительного времени , ее прочность медленно повышается в течении суток и может достигать очень высоких значений.

Предпочтительнее – хрупкая структура. Упрочняющая структура может служить причиной перечисленных выше осложнений.

ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ

Статическое напряжение сдвига – это наибольшее касательное напряжение, действующее в структуре в момент ее разрушения и начала движения раствора. Обычно рассматривается два значения СНС – это Θ1 и Θ10 ( Па и дПа)

По АНИ – «начальное» ( десятисекундное) значение

18

Средства измерения – СНС2 и ВСН-3

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУРОВОГО РАСТВОРА.

При проектировании бурения скважин, а также в процессе бурения скважин приходится решать ряд гидравлических задач:

Определять гидравлические потери, выбирать диаметр долотных насадок, рассчитывать гидравлическую мощность насосов. Для таких расчетов необходимо знать реологические свойства бурового раствора. Поведение жидкостей при течении характеризуется зависимостью напряжения сдвига от скорости сдвига в потоке жидкости. Приняты несколько разновидностей этой зависимости

– реологических моделей. τ = f (dVdr )

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПАРАМЕТРЫ.

1. Модель Ньютона ( вязкие жидкости )

	τ = µ	dV			, где µ = tgα - динамическая вязкость – мера способности жидкости сопротивляться
		dr
	приложению внешних сил ( давления ) при течении.
	2. τ = K(				dV		)n	степенная модель Освальда де Ваале
					dr
	Где n – показатель нелинейности ( безразмерный )
	К - коэффициент консистентности ( Па*с)
	n <1- псевдопластичность при
	n>1				дилатантные жидкости ( кривая ) при n =1 – ньютоновские жидкости.
	Модель Бингама ( вязко-пластичные жидкости )
	τ =η		dV			+τ0		, где η − пластическая вязкость ( Па*с), а
				dr

τ0 - динамическое напряжение сдвига.( Па )

Выше перечисленные реологические модели не отражают точно поведение буровых растворов во всем диапазоне скоростей сдвига, встречающихся в циркуляционном тракте бурящейся скважины. Кроме того эти модели не учитывают наличия структуры в буровых растворах.

4. Трехпараметрическая модель Хершеля-Бакли

τ = А+ В(	dV	)C ( кривая 4 )
	dr
А = 0	- степенная модель
С=1	модель Бингама

А=0, С=1 Ньютоновская модель При В=0 τ = Θ

Модель наиболее точно отражает поведение буровых растворов при течении . На практике практически не используется из-за громоздкости расчетых формул. Чаще всего используют модель Бингама и Оствальда(степенная модель)

РОЛЬ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ БУРЕНИИ.

1. Реологические ПАРАМЕТРЫ НЕОБХОДИМЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ η −пластическая вязкость, τ0 − динамическое напряжение сдвига., или число Re – которое

определяет режим течение жидкости, зная режим течения жидкости определяем расчетные формулы и определяем гидравлические потери при бурении.( консистенция n и коэффициент К из модели Освальда)

19

2.по изменению реологических свойств бурового раствора можно оценить причины загустевания БР( накопление твердой фазы, коагуляция глинистых частиц и т.п.)

При ламинарном режиме течения ∆P=f(η,τ0 ) или ∆Р = f (K,η) Зависимость ∆P от

реологических параметров жидкости непосредственная.

По характеру изменения η,τ0 оценивают причину загустевания раствора и выбирают метод разжижения.

Слишком низкие реологические свойства	Слишком высокие реологические свойства
Раствор плохо выносит из скважины	1. возникают большие гидравлические
выбуренную породу, нужна повышенная подача	потери при прокачке БР, большая доля
буровых насосов.	гидравлической мощности бурового
	насоса расходуется непроизводительно на
	преодоление этих потерь. 2. возникают
	большие гидродинамические давления
	при СПО , откуда опасность осложнений
	и проявлений, особенно при подъеме
	бурильной колонны.
	3. ухудшение удаления обломков с
	поверхности забоя, падение механической
	скорости бурения, затрудняется очистка и
	дегазация бурового раствора.

Оценка реологических параметров ротационным вискозиметром.

Ротационный вискозиметр:

Наружный цилиндр вращается с угловой скоростью ω Напряжение сдвига от наружного цилиндра через жидкость передается внутреннему цилиндру.

Внутренний цилиндр связан с пружиной, поворачивается на угол, зависящий от напряжения сдвига в жидкости

α =

4ΠR

2 R

2l

η(ω +

τ

0

ln

R

) , где К- константа упругости пружины Нм/град, если обозначить

1

2

2

K(R2

− R2 )

η

R

2

1

1

М =

K(R2

− R2 )

[ па/с ], где М – константа вискозиметра, тогда

2

1

4ΠlR2 R2

1

2

α =

ηω +

τ0

ln

R2

( А )

из геометрических соображений η = tgβ =

α2

−α1

* M для ВСН

М

R

ω

−ω

М

2

М=0,322 Па/град

1

1

М= 322 мПа/град, при этом n1

= 300 об/мин, n2 = 600 об/мин

20