ЛекцииПЖ_1_2013

Молекулы или полианионы реагента адсорбируются на кромке глинистой частицы и вместе с гидратирующими их молекулами воды образуют на частицах глины мощные защитные оболочки. Отсюда усиливается структурно-механический барьер повышается агрегативная устойчивость глинистой суспензии.

Молекулы ( полианионы ) реагента, попадая в глинистую корку закупоривают промежутки между частицами твердой фазы и уменьшают проницаемость корки.

Реагент не связанный с глинистыми частицами и остающийся в дисперсионной среде увеличивает вязкость фильтрата. Снижение проницаемости фильтрационной корки и повышение вязкости фильтрата приводит к понижению водоотдачи глинистого раствораю

Изменение реологических и структурных свойств глинистого раствора зависит от минерализации глинистого раствора и свойств полимера.

Возможны три случая:

1.минерализованный глинистый раствор + линейный анионный полиэлектролит.

2.минерализованный раствор + неионогенный полимер

3.пресный глинистый раствор + любой полимер.

	Линейные полиэлектролиты	Неионогенные	Любые высокомолекулярные
		полиэлектролиты	полиэлектролиты
	Состояние суспензии соответствует гидрофобной коагуляции,		Глина хорошо гидратирована и
	глина плохо диспергирована и гидратирована( глина в виде		диспергирована
	пакета или агрегата)
	Молекулы имеют свернутую	Молекулы имеют развернутую	Молекулы имеют развернутую
	конформацию	конформацию	конформацию
	Водоотдача во всех случаях	Разветвленные молекулы	Структурообразование
	падает	принимают участи в	усиливается
		структурообразовании и
		образуются полимер глинистые
		структуры.
	Динамическое напряжение	СНС повышается за счет	Динамическое напряжение
	сдвига повышается,	структурообразования.	сдвига,СНС и вязкость растет
	концентрация растет, т.е.	τ0 - растет,	круче, чем в первых 2-х случаях
	нарушается прямая связь между	µ ↑, томолекулярная масса	Все параметры растут круче
	τ0и структурообразованием.	растет., т.е. полтмер защищает
	Молекулярная масса ↑тем
		гл.раствор наряду с
	более растет внутреннее трение	разжижением.
	η1 - малая М.М.
	ηii - высокая ММ
	M iii > M ii > M i ηiii ↑

41

быстрее чем ηi
Если η'эфф =η +	τ0				отсюда
		dV
		dr
следует , что η'эфф ↓						Раствор загустевает	Раствор сильно загустевает
Если молекулярная масса
М↓то η1эфф , если Мiiто будет
ηэфф
Все зависит от молекулярной
массы и концентрации
Раствор может разжижаться						Раствор разжижается вводом
вводом КМЦ						КМЦ

Основным назначением высокомолекулярных реагентов - понижение водоотдачи минерализованных глинистых растворов

Дополнительная функция - загущение глинистых растворов.

ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ЗАЩИТНЫХ КОЛЛОИДОВ (РЕАГЕНТОВПОНИЗИТЕЛЕЙ ВОДООТДАЧИ )

1.Реагенты полисахариды.

1.1.Крахмальные реагенты

Крахмал – (С6 Н10О5 )n ( картофельный, маисовый, рисовый и т.п.)- природный полисахарид,

содержит два полимера:

Амилоза – линейный полимер М=(32-160)*103 Амилопектин – разветвленный паолимер М= 105-106

Товарный вид – порошкообразный материал белого или желтоватого цвета Природный крахмал – нерастворм в воде при комнатной температуре. Методы клейстеризации

1.Нагрев до 100ºС

2.2. раствоимость в щелочном растворе ( 50-100 кг/м3 крахмала + 10-=20 кг/м3 NaOH)

3.модифицирование в заводских условиях – кратковременный нагрев до 160ºС в присутствии алюмокалиевых квасцов)

РАЗНОВИДНОСТИ КРАХМАЛЬНЫХ РЕАГЕНТОВ. МК-1 ЭКР технический крахмал

Применение:

В товарном виде – МК-1, ЭКР После щелочной клейстеризации – ЭКР, технический крахмал

Солестойкостьдо насыщения по NaCl,, устойчив к действию соединений кальция(Са) Крахмал – наиболее солестойкий полисахарид Термостабильность – 120-130ºС

Крахмал подвержен бактериальному разложению, раствор вспенивается появляется неприятный запах, повышается водоотдача, раствор разжижается

СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ

1.Повышение щелочности раствора до рН примерно 11,0

2.Повышение уровня минерализации до 250 кг/м3 NaCl

3.ввод бактерицидов ( фенол, формальдегид, катанин )

42

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ЭФИРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Целлюлоза - [С6 Н7О2 (ОН)3 ]n - это полимерный спирт нерастворимый в воде.При замещении

водорода в гидроксильных группах получаются водорастворимые эфиры целлюлозы Замещение Н+ на кислотный радикал СООН приводит к образованию сложного эфира

целлюлозы

[С6 Н7О2 (ОН)3−х ОRx]n - простой эфир

[С6 Н7О2 (ОН)3−х (ОСН3СООNa)2 ]n - сложный эфир.

Карбоксиметилцеллюлоза(КМЦ)

КМЦ [С6 Н7О2 (ОН)3−х (ОСН3СООNa)2 ]n - линейный анионный полиэлектролит с М=(150-

650)*103

Разновидности(марки) КМЦ Степень замещения – СЗ=85

СЗ – число гидроксильных групп в 100 звеньях молекулы полимера, в которых водород замещен карбоксильным радикалом : 85 из (3х100)=300

Степень полимеризациичисло звеньев в молекуле полимера.

СП=350,500,600,700 и более Маркировка: КМЦ 85/500 или просто КМЦ-500

Чем выше степень полимеризации тем длиннее молекулы полимера и тем выше вязкость раствора КМЦ

За рубежом исполоьзуют классификацию: Низковязкая

Средневязкая КМЦ не указывая степень полимеризации высоковязкая

Товарный вид КМЦ – порошок или хлопьевидный материал. Растворимость – порок легко растворяется как в пресной и соленой воде.

Хлопьевидная КМЦ растворяется труднее из-за образования гелеобразной пленки на поверхности комочков полимера, плохо пропускающей воду. Образуются «рыбьи глаза» которые могут быть удалены из циркулирующего раствора в очистных устройствах. Для полного растворения КМЦ требуется продолжительное перемешивание.

Применение:

Порошок в товарном виде, хлопьевидная КМЦ – после предварительного растворения. Солестойкость – до насыщения NaCl и до 500 мг/л Са2+

Термостойкость – 140-160ºС увеличивается с увеличением степени полимеризации. Стойкость к бактериальному разложениюбактерицидов не требует.

Повышение термостойкости

-замедление термо окислительной деструкции путем ввода антиоксидантов, связывающих активные радикалы, образующиеся при распаде молекул и прерывающие цепную реакцию термоокислительной деструкции ; или связывающих кислород, присутствующий в глинистом растворе.

РЕАГЕНТЫ АНТИОКСИДАНТЫ

-жидкое стекло = карбофен

- фенолы (ФЭС) = карбонил	повышают термостойкость на 20ºС
- этаноламины = карбоминол
Na2SO3, NH4HSO3

ПОЛИАНИОННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА ПАЦ)

43

ПАЦ - разновидность КМЦ , отличающаяся степенью замещения : СЗ=125 и равномерным распределением карбоксиметильных групп по длине молекулы.

Марки ПАЦ: низковязкая – М ( 50-200)*103 Высоковязкая М= ( 200-700)*103

Солестойкость – до насыщения NaCl и 1000 мг/л Са2+( рекомендуется Са2+ до 400 мг/л) Термостойкость – деструкция начинается при 150ºС Имеются на практике случаи применения

ПАЦ при забойной температуре до 200ºС Бактериальному разложению ПАЦ не подвержена.

Применение: в товарном виде или после предварительного растворения в воде

ОКСИЭТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА(гидроксиэтилцеллюлоза) (ОЭЦ)

[С6 Н7О2 (ОН)3−х (СН2ОСН2ОН)х ]n

ОЭЦнеионногенный линейный полимер Товарный вид – порошок хорошо растворимый в пресной и соленой воде.

Солестойкость до насыщения по NaCl до 20 г/л , солей 2-х валентных металлов Термостойкость – 150ºС Применение: - в товарном виде или в виде водного раствора,устойчива к бактериальному

разложению. Хорошо распространена за рубежом. Применяются марки: Маловязкая Средней вязкости Высоковязкая

Очень высокой вязкости.

БИОПОЛИМЕРЫ ( XANTAN, XC-POLYMER, WELAN, БП-1)

Простые сахариды + xantamonos campestris – микробиологический синтез = сильноразветвленный полианионный полиэлектролит.

Товарный вид – порошок, хорошо раствримый в воде.

Солестойкость – до насыщения по NaCl но XANTAN , XC-полимер – неэффективны в присутствии Са2+

WELAN – нечувствителен к Са2+

Теромтсойкость ХС-POLYMER, XANTAN - 135ºС

WELAN - 180ºС

Биополимеры подвержены бактериальному разложению и нуждаются в применении бактерицидов.

Особенность: - биорастворы полимеровпсевдопластичны. Для них характерно сильное сдвиговое разжижение ( разжижаются при увеличении скорости сдвига). Обладают хорошей удерживающей способностью( способность к структурообразованию)

Назначениезагущение безглинистых и малоглинистых полимерных растворов. Способствует получению высокой механической скорости проходки.

Отечественный БП-1. Разработана технология его использования, планировалось строительство завода на Украине.

РЕАГЕНТЫ ПОЛИАКРИЛАТЫ.

- Это производные акриловой и метакриловой кислот.

44

Легко полимеризуются путем разрыва двойной связи с присоединением по свободным связям новых звеньев мономера.

Возможно получение полимеров с различными заместителями водородных ионов и полимеров с различной молекулярной массой.

Общие особенности полиакрилатов

1.Прочная связь -С-С-( углерод-углерод) в молекуле полимеров обеспечивает высокую теромстабильность всех полиакрилатов.

2.устойчивы к бактериальному разложению.

3.теряют эффективность в присутствии 2-х валентных катионов в результате замещения ионов Na+ в функциональных группах на ионы Са++. Замещение приводит к сшивке полимеров и потере растворимости и эффективности.

Предельно допустимая концентрация ионов Са++ в глинистом растворе – 400 мг/л

Функции полиакрилатов в зависимости от молекулярной массы. Так как полиакрилаты – это синтетические полимеры, то их можно выпускать с разной молекулярной массой (М)

Молекулярная

масса

≤ 7000

(7-600)103

(0,6-3)106

(3-10)106

(10-15)106

Назначение полиакрилата

Разжижитель Понизитель водоотдачи

Коагулянты

Структурообразователь способствующий образованию структуры в малоглинистых растворах Капсулаторы – ингибируют гидратацию и диспергирование глинистых пород

ГИПАН ( гидролизный полиакрилонитрил )

Он является полимером трех соединений: (СН2СНСООNa)х - полиакрилат натрия (СН2СНСОNH2)у*( СН2СНСN)z

Акриламид акрилонатрий

Товарный вид – водный раствор С=80-120 кг/см3 или С=170 кг/м3. Создан твердый ГИПАН в виде хлопьев.

Применение – жидкий – в товарном виде Твердый – после растворения в воде

Солестойкость – до насыщения NaCl и до 400 мг/л ионов Са++ Термостойкость:

-пресные глинистые растворы – до 200ºС

-минерализованные 150-180 ºС

Срок хранения – 3 месяца Признак годности – запах аммиака.

МЕТАС – метакриловый сополимер.

Сополимер метакриловой кислоты и метакриламида

45

		х	=	1	6
( СН2ССН3СООН)х (СН2ССН3СОNН2)у					М=200*10
		у		1
Метакриловая	метакриламид
кислота

Товарный вид – твердый гранулированный материал, в воде нерастворим.

Применение – в виде водно-щелочного раствора 70-100 кг/м3 МЕТАСА + 30-40 кг/м3 NaOH При растворении происходит замещение водорода в карбоксильных группах натрием и образование метакрилата натрия. СН2СН3СООNa

Полимер приобретает способность растворяться. Солестойкость – как у всех метакрилатов Термостойкость: для пресных растворов – до 220 ºС

- для минерализованных =до 180 ºС Срок хранения – 6 месяцев.

М14-ВВ – метакриловый сополимер высоковязкий.

Сополимер метилметакрилата и метакриловой кислоты. Он является сополимером 2-х соединений:

( СН2ССН3СООН)х (СН2ССН3СОNН3)у х:у=1:1

Товарный вид – белый порошок в воде не растворим, используется после его предварительного растворения в щелочи в виде водощелочного раствора 50-80 кг/м3 М14 + 20-30 кг/м3 NaOH В щелочной среде водород в карбоксильных группах замещается натрием

СН2ССН3СООН → СН2ССН3СОО Na – полимер растворяется в воде при рН больше 10 реагент можно использовать в товарном виде Солестойкость – как у всех полиакрилатов Термостойкость – пресные до 240 ºС

минерализованные - 220 ºС Срок хранения – 12 месяцев

ЛАКРИС-20 ( лаборатория акриловых полимеров )

Водорастворимая разновидность М14ВВ, порошок раствоимый в воде Прменение – в товарном виде Солестойкость – как у всех полиакрилатов Термостойкость – пресные до 300 ºС

Минерализованные – до 280 ºС

РЕАГЕНТ КОМПЛЕКСНЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ( РКП)

Сополимер метилметакрилата и метакрилата натрия или аммония – разновидность М14ВВ ( СН2ССН3СЩЩСН3)х-(СН2ССН3СООК)у Товарный вид – порошок ( белый или серый ), растворим в оде полностью

Применение – в товарном виде или после растворения в воде Солестойкость – как у всех полиакрилатов Термостойкость – до 230 ºС

Ионы К+ и NH4+ обеспечивают ингибирование гидратации, диспергирования и разупрочнения глинистых пород.

ПОЛИАКРИЛАТЫ УСТОЙЧИВЫЕ К ДЕЙСТВИЮ ПОЛИВАЛЕНТНЫХ КАТИОНОВ.

Условия бурения: соленосные отложения с прослоями калийно-магниевых солей, ангидритов, на больших глубинах. Высокие забойные температуры.

46

Крахмал – не термостоек Полисахариды и полиакрилаты – не эффективны в присутствии двухвалентных катионов.

За рубежом созданы реагенты – модифицированные полиакрилаты устойчивые к действию поливалентных катионов.

Разжижители – сополимер сульфированного стирола и малеинового ангидрида.

ПОНИЗИТЕЛИ ВОДООТДАЧИ

Сополимер акриламидпропансульфоната и диметилакриламида( сополимер винилсульфоната и виниламида)

Реагенты выпускаются немецкой фиромй Хехст под фирменным названием ХОСТАДРИЛ Солестойкость – до насыщения по NaCl и от 50 г/л до насыщения по СаCl2 Термостойкость - 200 ºС Реагенты порошкообразные, растворимые в воде.

Применение – в товарном виде.

ГИДРОЛИЗОВАННЫЙ ПОЛИАКРИЛАМИД (ГПАА)

( СН2СНСООNa)х (СН2СНСОNН3)у

Часть алкидных групп замещены карбоксильными группами. Степень замещения – 20-40 % Молекулярная масса – М=(3-15)*106

Товарный вид: порошок или гелеобразный продукт с концентрацией твердого вещества С=80 кг/м3 Растворим в воде , но довольно трудно

Применение – порошок – в товарном виде или после растворения Гель – только после растворения в воде

Солестойкость – как у всех полиакрилатов Термостойкость – пресные - 200 ºС

Минерализованные - 180 ºС

НАЗНАЧЕНИЕ

1. Понижение водоотдачи;

47

2.Загущение глинистого раствора;

3.Селективная флокуляция выбуренной породы

4.Ингибирование гидратации, диспергирование глинистых породж посредством капсулирования.

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДООТДАЧИ

Понижение водоотдачи :

1.ввод качественного бентонита при недостатке коллоидных частиц в глинистом растворе;

2.ввод органических защитных коллоидов, если необходимо иметь водоотдачу 10-12 см3

3.ввод углеводородной жидкости( понижается статическая водоотдача)

РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ. а)Разжижение глинистых растворов

1.разбавление водой;

2.обработка химическими реагентами разжижителями;

ОЦЕНКА ПРИЧИН ЗАГУСТЕВАНИЯ и выбор метода разжижения.

а. Увеличение условной вязкости(УВ) и эффективной вязкости, увеличение вязкости и ДНС, СНС и плотности БР= увеличение концентрации твердой фазы = разбавление водой.

б. Увеличение УВ, эффективной вязкости сильное повышение ДНС и СНС при небольшом изменении вязкости раствора ( понижении) = кофгуляция глинистого раствора= обработка реагентами разжижителями.

При отсутствии возможности регулярного измерения реологических параметров на ротационном вискозиметре: оценка причин загустевания по величине ПК – показателя коагуляции ( см. С.Ю. Псуховицкий )

Для нормальной работы бурового раствора он должен иметь:

УВ = 25-50 с Θ1 = 25-60 дПа

	УВ		= 25 −60		= 0,5 −1,2
	ПК= Θ 1
				50

а) УВ больше 50с ПК=0,5-1,2 откуда высокая концентрация твердой фазы откуда разбавление водой.

Если УВ такова, что раствор не течет необходимо разбавить водой, после чего измерить УВ и СНС1 б) УВ больше 50с ПК больше 1,2 = коагулция глинистого раствора откуда необходима обработка

реагентами разжижителями.

Если после обработки ПК=0,5-1,2 а УВ больше 50 с –в растворе слишком много твердой фазы и его после обработки нужно дополнительно разбавлять водой.

ЗАГУЩЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ.

1.Увеличение концентрации глины в растворе пресные === бентонит соленые === палыгорскит

48

2.. Ввод высокомолекулярных реагентов( КМЦ с большой степенью полимеризации, ПАЦ, ОЭЦ, полиакрилаты) ( повышение вязкости,τ0 , эффективной вязкости и УВ)

3. коагуляция электролитами : ( известь, цемент ) Этот метод применяют при бурении верхней части разреза ( под кондуктор ), когда теребования к ьуровому раствору невысокие( повышение ДНС,СНС без увеличения вязкости) Возможен рост водоотдачи.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ.

1. Повышение плотности

Условия, обуславливающие необходимость повышения плотности бурового раствора: а) наличие пластов с аномальновысокими пластовыми давлениями === предотвращение нефтегазоводопроявления.

б) наличие неустойчивых глинистых пород с высокми поровыми давлениями. Повышение плотности увеличивает противодавление === уменьшает напряжение в породе на стенке скважины=== сохранение устиойчивывости стенок скважины.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ.

1.Увеличение концентрации глины;

2.ввод утяжелителя

Повышение плотности за счет увеличения концентрации глины.

Увеличивается плотность но,… одновременно происходит загустевание бурового раствора. Чем коллоидальнее глина, тем сильнее загустевает буровой раствор.

Чтобы получить глинистый раствор с повышенной плотностью нужно пользоваться очень низкосорной глиной ( каолинитгидрослюдистой глиной( глинопорошок марки ПКГН) При обработке разжижителями можно получить из низкокачественной глины раствор с

плотностью до 1,35 г/см3. Но концентрация глины в таком растворе составит 22% по объёму ( 570 кг/м3). Реологические свойства раствора будут высокими и труднорегулируемыми. Практический предел повышения плотности за счет увеличения концентрации глины – 1,25 г/см3.

Для получения более тяжелых глинистых растворов необходимо применять утяжелители.

УТЯЖЕЛЕНИЕ - это ввод в глинистый раствор тонкодисперсных материалов, плотность которых значительно превосходит плотность глины – утяжелителей.

49

ТРЕБОВАНИЯ К УТЯЖЕЛИТЕЛЯМ.

1.высокая плотность( меньший расход утяжелителя, меньшая концентрация твердой фазы; легче поддерживать реологические свойства бурового раствора)

2.химическая инертность ( не содержат растворимых электролитов, вызывающих коагуляцию глинистого раствора)

3.невысокая твердость ( менее интенсивное абразивное действие на буровые насосы, забойные двигатели и насадки долота)

4.определенная тонкость помола ( слишком крупные частицы == большая суммарная

поверхность больше сводной воды идет на смачивание плверхности утяжелителя === сильнее загущается раствор.

МИНЕРАЛЫ – сырье для утяжелителей.			Твердость по Моду
минерал	Химический состав	Относительная
		плотность г/см3	3 – 3,5
Барит	BaSO4	4,3-4,6
Гематит	Fe2O3	4,9-5,3	5,5 – 6,5
Магнетит	Fe3O4	4,9 – 5,2	5,5 – 6,0
Сидерит	FeCO3	3,8 – 3,9	3,5 – 4,0
Известняк	CfCO3	2,6 – 2,8	3,0 – 3,5
Гаменит	PbS	7,4 – 7,8	2,5 – 3,0

УТЯЖЕЛИТЕЛИ, ВЫПУСКАЕМЫЕ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ 1. Баритовые утяжелители

а) Баритовый концентрат – побочный продукт обогащения полиметаллических руд.

Шесть марок		КБ-1----------------------КБ-6
Содержание BaSO4		95%	80%
Влажность	- до 12%

Баритовый концентрат является сырьем для производства порошкообразных утяжелителей, но может иногда и поступать на буровые предприятия вследствие нехватки порошкообразных утяжелителей.

Недостаток: из-за высокой влажности смерзается зимой и комкуется – летом при испарении влаги.

Требует применения механического оборудования для погрузки, разгрузки , ввода в глинистый раствор.

Громоздкие устройства для перемешивания утяжелителя с буровым раствором Неудобства, большая трудоемкость, низкая производительность при утяжелении, большие потери утяжелителя обусловлен переход на порошкообразные утяжелители.

б) Порошкообразный баритовый утяжелитель.

Он получается из баритового концентрата путем сушки и последующего измельчения.

	Немодифицированный барит			Модифицированный барит
Показатели	УПБ-1	УПБ2	УПБ3	УПБМ1	УПБМ2	УПБМ3
Плотность,	4,25	4,15	4,05	4.20	4,15	4,05
не менее
Влажность,%	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Крупные	4%	4%	4%	4%	4%	4%
частицы 70
мкм,%
Мелкие	5%	10%	15%	Не	Не	Не
частицы≤ 5				нормируется	нормируется	нормируется
мкм,%
						50