Дисперсные системы и основные их свойства

Назначение и классификация буровых растворов

ТЕМА 6 Технология промывки скважин и буровые растворы

Студент должен

знать:

· назначение и виды промывочных агентов, их основные качественные показатели; материалы для приготовления, химической обработки и утяжеления растворов; оборудование для приготовления и очистки промывочных агентов.

Уметь:

· выбирать рациональный тип бурового раствора для конкретных геолого-технических условий, рассчитывать требуемую плотность бурового раствора для проводки скважины.

Отличительная особенность вращательного способа бурения - при­менение промывки скважин в процессе бурения. При бурении буровой раствор, прежде всего, должен выполнять следующие функции:

I. Гидродинамические

1. Очистка забоя от выбуренной породы (шлама) из-под долота и транспортиро­вка шлама на поверхность по кольцевому пространству между бурильной колонной и стенками скважины к устью скважины.
2. Охлаждение долота при разрушении породы (во время работы долото без охлаждения может нагреваться до 400⁰С, что приведет к термическому разрушению и уменьшению стойкости долота).
3. Буровой раствор является энергоприводом для гидравлических забойных двигателей.
4. Использование гидромониторного эффекта для разрушения горных пород при бурении гидромониторными долотами.

II. Гидростатические

1. Удерживание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции раствора.
2. Создание противодавления на неустойчивые стенки скважины и предупреждение газонефтеводопроявлений, т.е. Р_г/ст>Р_пл на 10-15%.
3. Снижение нагрузки на талевую систему в зависимости от типа бурового раствора и его плотности.

III. Физико-химические

1. Оказание физико-химического воздействия на стенки скважины с целью пред­упреждения их обрушения.
2. Регулирование показателей бурового раствора при обработке химреагентами и утяжелителями.
3. Сохранение проницаемости продуктивного пласта при его вскрытии.

IV. Коркообразующие – создание глинистой корки на стенках скважины, препятствующей обрушение неустойчивых пород.

Корка вы­полняет очень много важных функций, а именно: она препятствует уходу воды из раствора в пласт, закупоривает все поры и трещины в стенках скважины, отчего стенки становятся прочными и не обваливаются, а также задерживает проникновение воды, нефти и газа из различных пластов в скважину.

При высокой водоотдаче образуется толстая корка, которая легко разрушается, часто отрывается от стенок сква­жины и, налипая на трубы и долото, образует сальники, способствую­щие прихватам бурильной колонны.

Тип бурового раствора выбирается в зависимости от геологических условий бурения скважины, а именно, от величины пластового давления и устойчивости горных пород. Растворы, применяемые при бурении скважин, делятся на 3 класса.

В зависимости от химического состава дисперсионной среды водные растворы подразделяются на пресные и минерализованные.

Углеводородные растворы бывают битумные и органоглинистые.

По составу дисперсной фазы водные буровые растворы могут быть:

· глинистыми;

· аргиллитовыми;

· карбонатными;

Водные и углеводородные буровые растворы по наличию и состоянию жидкой, твердой и газовой дисперсных фаз делят на:

· эмульсионные;

· аэрированные;

· утяжеленные.

Дисперсная система – раздробленная система, в которой одно вещество раздроблено (диспергировано) и распределено в другом веществе. Вещество, которое диспергировано, называется дисперсной фазой, а среда, в которой это вещество распределено, - дисперсионной средой.

Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными. К ним относятся истинные (молекулярные) растворы.

Системы, состоящие из двух и более фаз и имеющие поверхности раздела между фазами, называются гетерогенными. К ним относятся коллоидные растворы, суспензии, эмульсии, пены.

Коллоидные растворы – это системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся не в виде отдельных молекул, а в виде агрегатов молекул. Число молекул в агрегатах может достигать нескольких тысяч.

Буровые растворы относятся к гетерогенным системам, у которых дисперсионная среда – нефть, вода, дизтопливо; дисперсная фаза – твердые частицы глины, утяжелителей.

Если коллоидные растворы рассматривать в проходящем свете, то они кажутся совершенно прозрачными, как и истинные растворы. При боковом освещении коллоидных растворов луч света оставляет на своем пути светящуюся полосу, что обусловлено светорассеянием.

Диффузия – это самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или дисперсных частиц под влиянием тепла. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия. Явление диффузии необратимо, она протекает до полного выравнивания концентраций. Диффузия в большей мере проявляется в истинных растворах.

Седиментационная или кинетическая устойчивость системы – это способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему.

Агрегативная устойчивость – это устойчивость к сцеплению частиц дисперсной системы.

В дисперсных системах протекают различные процессы. При нахождении в воде частица покрывается слоем воды за счет сил молекулярного притяжения, т.е. образуется гидратная оболочка. Это явление называется смачиванием.

Гидратная оболочка образуется в том случае, если силы притяжения между частицей и водой больше, чем силы притяжения молекул воды друг к другу. Чем больше силы притяжения, тем лучше смачивание. Хорошо смоченные частицы при столкновении не слипаются, т.к. этому мешает гидратная оболочка. При плохом смачивании при столкновении частицы слипаются и выпадают в осадок. Это явление называется коагуляцией (рисунок 23). При введении в дисперсные системы веществ, вызывающих раздробление крупных агрегатов частиц на более мелкие происходит процесс пептизации, т.е. процесс, обратный коагуляции, а вещества его вызывающие – пептизаторами.

Рисунок 23. Образование коагуляции в растворе

Коагуляция может быть:

· гидрофобной – вся поверхность дисперсной фазы гидрофобна и образуются плотные слипшиеся комки;

· гидрофильной – частицы дисперсной фазы неправильной формы, иногда листочки, при встрече они слипаются только в отдельных точках, в результате образуются рыхлые агрегаты.

Рыхлые агрегаты образуются только в мало концентрированных дисперсных системах.

При высокой концентрации частиц в процессе коагуляции образуется структурная сетка. Осадок, образовавшийся в результате седиментации, называют гелем, систему из взвешенных, не слипающихся частиц – золем (рисунок 24).

Рисунок 24. Переход золя в гель

Рисунок 25. Коагуляция частиц

а – малая концентрация частиц, образование агрегатов;

б – высокая концентрация частиц, образование структурной сетки.

Структурная сетка обладает определенной прочностью. Для того, чтобы такая дисперсная система текла, структуру необходимо разрушить – преодолеть прочность сетки. Энергия разрушения расходуется на отрыв частиц друг от друга и разрушение происходит путем перемешивания. После достаточно долгого перемешивания система может полностью потерять прочность и стать обыкновенной жидкостью. Но как только перемешивание прекращают, свободные частицы под влиянием теплового движения начинают сталкиваться и по всему объему систему восстанавливается структурная сетка и ее прочность.

Разрушать структуру путем перемешивания можно сколько угодно раз. Когда перемешивание прекратится, структура восстановится. Такой процесс перехода золя в гель и обратно называют обратимым, а это свойство дисперсных систем – тиксотропией. Чем тиксотропнее дисперсная система, тем быстрее восстанавливается структура после ее разрушения и прекращения перемешивания.

Наука о деформации и течении тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими.

Контрольные вопросы:

1. Какие функции выполняет буровой раствор при вращательном способе бурения?

2. Какие применяются типы промывочных жидкостей?

3. Что такое дисперсная система и каких видов она бывает?

4. Как классифицируются дисперсные системы?

5. Расскажите о классификации дисперсных систем.

6. Какие процессы протекают в дисперсных системах?

7. Что такое тиксотропия?

Дата добавления: 2014-01-05