WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
УДК 622.245 БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ И УПРАВЛЕНИЕ ИХ РЕОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ Шарафутдинов З.З. (sharafutdinov@gtp-jsc.ru), Шарафутдинова Р.З.

ОАО «ГИПРОТРУБОПРОВОД» В строительстве скважин на нефть и газ, а также подводных переходов методом наклонно – направленного бурения в качестве буровых растворов используют глинистые суспензии, являющиеся дисперсными системами на водной основе. В процессе строительства скважин буровые растворы должны предотвращать возможные технологические осложнения в процессе бурения, минимизировать загрязнение нефтегазонасыщенного пласта компонентами бурового раствора, а в строительстве подводных переходов обеспечить безаварийное протаскивания трубопровода. Значительную роль в решении данных проблем играют реологические свойства буровых растворов, используемых в строительстве скважин.

Реологические свойства буровых растворов оказывают значительное влияние на вынос выбуренной породы на дневную поверхность, создание гидродинамического давления в скважине. Гидродинамическое давление, в свою очередь, определяет возможность возникновения осложнений в процессе строительства скважин: проявление или поглощение бурового раствора, гидроразрыв горных пород, а также загрязнение нефтегазосодержащего пласта [4, 5, 7, 9]. Поэтому возникает задача управления реологическими характеристиками буровых растворов в скважине. Эта задача решается путем химической обработки буровых растворов различными полимерами [4, 5].

Исследованию и описанию реологических свойств буровых растворов посвящено значительное количество исследований, как в нашей стране, так и за рубежом [4, 7, 8, 10]. Растворы различают как ньютоновскую, Бингамовскую вязкопластичную, псевдопластичную и дилатантную жидкости. Реологические свойства, проявляемые жидкостями определяются химическим составом и строением веществ, используемых для получения буровых растворов, содержанием твердой фазы, а также градиентом скорости движения () в скважине, трубах и т.д.

Наиболее общей моделью, описывающей поведение глинистых растворов на водной основе, является модель псевдопластической жидкости. Это обусловлено тем, что реологическая кривая буровых растворов линейна при = 200-1000 с-1, а с уменьшением искривляется. Поэтому для анализа и решения технических проблем, возникающих в процессе циркуляции буровых растворов в стволе скважины, буровые растворы целесообразно рассматривать как псевдопластические жидкости. Поведение псевдопластических жидкостей описывается уравнением Оствальда [13]:

N = K * (1) где – напряжение сдвига; K – показатель консистенции; – градиент скорости сдвига; N – показатель нелинейности.

Исследования процессов, происходящих при промывке скважины, опыт их строительства показывает, что в качестве буровых растворов, наиболее целесообразно использовать псевдопластические жидкости, обладающие величиной показателя нелинейности N<0,3 [2, 5, 9, 11].

Подобные жидкости обеспечивают эффективную очистку ствола скважины от выбуренной породы и минимально возможные потери давления в скважине.

На рис. 1 приведены данные по расчету потерь давления при движении псевдопластичных жидкостей в кольцевом пространстве для участка скважины длиной 500 м. Расчет велся по формулам, приведенным в [9]. Из них следует, что буровые растворы с показателем нелинейности N=0,1-0,3 не создают значительных величин дополнительного давления на проницаемые пласты в кольцевом пространстве скважины. Это особенно важно для выноса шлама, предотвращения гидроразрыва слабосцементированных пород, а также для вскрытия продуктивных пластов. В практической деятельности известна возможность получения псевдопластичных © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru жидкостей с использованием биополимеров [5, 6, 7]. К сожалению, следует выделить, что на сегодняшний день до сих пор не разработаны положения по управлению показателем нелинейности у буровых растворов с одновременным увеличением ассортимента используемых реагентов.

Данные ограничения, на наш взгляд, обусловлены следующим. Изучение свойств жидкостей и их аналитическое описание в процессе движения осуществляют с позиции классической механики сплошных сред [7, 8, 10]. Можно отметить, что используемый подход не предусматривает учета дискретности жидкостей на уровне суспензии и строения самой жидкости, а также не рассматривает свойства межчастичных сил, действующих в них. Все это затрудняет решение технологических проблем в строительстве скважин. Так, например, буровой раствор дискретен как дисперсная система, состоящая из дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Дискретна также и дисперсионная среда – вода, которая может проявлять свойства атомных, ионных, молекулярных и металлических веществ [3, 12, 13]. Соответственно все это накладывает отпечаток на поведение технологических жидкостей на водной основе. Поэтому для управления реологическими свойствами буровых растворов необходимо более детально рассмотреть силы, действующие в дисперсных системах, их свойства, а также структуру бурового раствора и на основе данных знаний попытаться описать их реологические свойства и пути управления ими. Для этого, первоначально, рассмотрим силы, действующие в дисперсных системах.

140,N=0,120,100,N=0,80,N=0,60,N=0,40,20,N=0,0,0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,Потери давления, МПа Рис. 1 Влияние параметров псевдопластичных жидкостей на потери давления в кольцевом пространстве при Dbit=200 мм, L=500 м, Q=0,015 м3/c, dpipe=150 мм (Dbit – диаметр долота;

L – длина участка; Q – подача насоса; dpipe – диаметр бурильной трубы).

1 СТРУКТУРА БУРОВОГО РАСТВОРА И ЕГО РЕОЛОГИЯ 1.1 Силы, действующие в дисперсных системах Глинистый раствор представляет собой дискретную систему, состоящую из элементарных частиц глины и взаимодействующей с ними среды – воды. Частицы глины способны к взаимодействию между собой. Данное взаимодействие, а следовательно и поведение глинистого раствора в тех или иных условиях следует рассматривать как результат единства и борьбы трех основных межчастичных сил: дисперсионных, электростатических и химических. Подробное описание их свойств приведено в различных источниках, включая [6]. Выделим для себя отдельные элементы их поведения, знания которых будут крайне важны в последующем.

В реальных веществах существуют четыре вида межмолекулярных сил: дисперсионные, электростатические, а также валентные и металлические. Доля каждого из них, в зависимости от природы молекул и термодинамических условий изменяется от 0 до1. Если преобладает один вид сил, а тремя другими видами можно пренебречь, то получится один из четырех крайних типов веществ. В молекулярных веществах признают только дисперсионные силы, в атомных – © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru N Консистенция, К, Па / с ковалентные, в ионных – электростатические, в металлах – металлические. Крайний тип вещества, когда учитывают только один вид межмолекулярных сил, а тремя другими пренебрегают, является абстракцией, пределом реального вещества.

В реальных веществах все четыре типа межмолекулярных сил находятся в диалектической взаимосвязи. Все межчастичные силы вызывают агрегацию атомов. Дисперсионные силы вызывают только конденсацию или уплотнение вещества без создания какой – либо структуры.

Напротив, все другие силы структурируют атомы в агрегаты. Данные агрегаты представляют собой микро или макромолекулы, образованию последних может предшествовать формирование микромолекул (мономеров). Образование макромолекул в реальных веществах является полимеризацией. Поэтому полимеризацию разделяют на атомную и молекулярную. Атомная полимеризация в зависимости от вида вызвавшей ее силы может быть ковалентной, ионной и металлической. Прочность и свойства полимера зависят от величины и характера вызвавших ее сил.

Вещества, структурные элементы которого соединены между собой валентными связями, прочны, разрушаются хрупко или хрупко пластично. Пластичность таких веществ обусловлена полярностью валентных связей в веществе. Настоящие металлы чрезвычайно пластичны, но чем больше у атома металла валентных электронов, тем гуще и крепче электронная сетка металла и тем он прочнее. Проявление свойств пластичности у веществ, сложенных элементами, между которыми действуют металлические связи, обусловлено отсутствием ориентации у электростатических сил. Отсутствует ориентация и у дисперсионных сил. Вещества, элементы которых соединены молекулярными связями, отличаются малой прочностью и низкой устойчивостью. Из природы дисперсионных сил следует, что уплотнение веществ, между структурными элементами которых действуют молекулярные связи, будет приводить к их уплотнению по мере своего сближения. Поведение веществ, структурные элементы которых взаимодействуют посредством электрических сил, будет зависеть от знака их заряда. При разноименной заряженности они будут агрегироваться, при одноименной заряженности, наоборот, отталкиваться.

Кроме дисперсионных, электростатических, ковалентных и металлических между некоторыми молекулами могут образоваться водородные связи. Водородная связь является частным случаем донорно-акцепторной, поэтому она является химической. По характеру водородные связи находятся между электростатическими и ковалентными. В зависимости от условий, в которых находятся данные молекулы, прочность водородных связей между ними изменяется от слабых и мягких электростатических (диполь-дипольных) до прочных и жестких ковалентных (лед, гидраты газов, кремния, алюминия и т.п.). Водородные связи находятся в антагонистических отношениях с дисперсионными, а с электростатическими, в зависимости от условий, могут находиться то в синергических, то в антагонистических отношениях [6, 12].

На основании рассмотренных свойств межчастичных сил нами были предложены уточнения в представления о структуре воды [3], описывающие ее поведение в различных условиях.

1.2 Вода, особенности ее поведения. Строение жидкой воды.

Воде и изучению ее свойств посвящено большое число исследований [1, 2, 3, 12, 13].

Хорошо изучен водяной пар. Подробнейшим образом изучена элементарная частица водяного пара, называемая молекулой воды (H2O). Изучены многочисленные полиморфные модификации твердой воды. Жидкая вода, несмотря на огромные усилия естествоиспытателей, изучена неудовлетворительно.

Жидкая вода обладает в некоторой степени свойствами всех четырех крайних типов веществ и с изменением условий, меняется соотношение между этими свойствами с выдвижением тех или других на передний план:

a. Между молекулами воды, как и между любыми частицами, действует дисперсионная сила.

Но, если бы действовала она одна, то вода имела бы плотность 1800 кг/м3 и вела бы себя © Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru подобно другим веществам, близким к ней по молекулярной массе: метану, этану, кислороду, азоту, окиси углерода, аргону и др.;

b. Атомы кислорода и водорода сильно различаются по электроотрицательности (3.5 и 2.1), поэтому химическая связь между ними полярна. В результате этого между молекулами воды действуют электростатические силы;

c. Молекула воды может дать четыре водородные связи. Поскольку водородные связи химические, то при полной их реализации вода полимеризуется (лед). Наличие в воде водородных связей придают ей свойства атомного вещества;

d. С увеличением диэлектрической проницаемости среды полярность химических связей возрастает. При растворении солей в воде диэлектрическая проницаемость ее повышается, что ведет к увеличению степени электролитической диссоциации (2H2O=H3O+ + OH-). Электролитическая диссоциация придает воде свойства ионных веществ;

e. Наконец, в жидкой воде имеется некоторое количество свободных протонов (H2O=H+ + OH), являющихся положительными элементарными электрическими зарядами. Концентрация свободных протонов возрастает при подкислении воды, с увеличением полярности связи «ОН» и с повышением давления. Электропроводность кислот и щелочей показывает, что положение протонов в воде не фиксировано – они могут свободно мигрировать в объеме.

Наличие свободных элементарных электрических зарядов придает веществу металлические свойства. У чистой жидкой воды в обычных условиях ионные и металлические свойства выражены слабо, но в некоторых растворах и экстремальных условиях проявление их становится существенным.

Особое влияние на строение и свойства воды оказывают водородные связи, поэтому остановимся на их поведении подробнее. Поскольку водородные связи являются химическими, они специфические, насыщаемые и ориентированы в пространстве. В зависимости от условий прочность их изменяется от электростатической до ковалентной. Прочность, жесткость и направленность водородных связей прямо пропорциональны друг другу. Например, отклонение от оптимального угла между связями ослабляет их и делает более гибкими (размягчает).

Уменьшение прочности связей ведет к их размягчению и ухудшению пространственной фиксации, искривление связей ослабляет и ухудшает направленность их. Образование направленной и жесткой водородной связи приводит к структурированию воды, что разрыхляет упаковку атомов и ослабляет дисперсионные связи. С другой стороны, дисперсионные связи, уплотняя упаковку атомов, мешают оптимальной для образования водородных связей ориентации молекул. Электростатические силы между молекулами воды способствуют оптимальной взаимной их ориентации, необходимой для образования водородных связей. Тепловое движение мешает образованию водородных связей. Таким образом, в чистой воде образованию водородных связей помогают электростатические силы, а мешают дисперсионные силы и тепловое движение.

Образование водородной связи начинается с электростатического взаимодействия. Электростатическая связь при приближении молекул возникает мгновенно и не требует при этом от них жесткой взаимной ориентации. Водородная связь, как химическая образуется во времени, требует предварительной активации и жесткой взаимной ориентации связываемых ею частиц Из четырех водородных связей, которые может реализовать молекула воды, труднее всех образовать первую, т.к. для этого нужно активизировать молекулу. Молекулы с одной водородной связью уже является активированной, поэтому последующие связи образуются легче. Поскольку данная молекула воды образует водородные связи с разными соседями, то каждая активная молекула активизирует четыре соседних, т.е. структурирование воды, начавшись в одной случайной точке, распространяется по объему лавинообразно, подобно разветвленной цепной реакции.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.