CC BY
29УДК 622.244.4.06
А.Я. соловьев, к.т.н., ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
буровые СМАЗОЧНЫЕ ДОБАВКИ - МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ
Приведенный в статье экспериментальный материал показывает неоднозначность функционального действия буровых лу-брикантов, которые разбиты по этому признаку на узкие группы, имеющие свои достоинства и недостатки. На основе сопоставления разнотипных лубрикантов в различных условиях проверки сделана попытка обобщить критерии оценки их качества и даны рекомендации по методологии подбора реагентов применительно к конкретным условиям бурения.
Продолжение. Начало №5, 2009 г.
В первой части статьи рассматривались особенности, касающиеся определения динамического коэффициента трения системы сталь-сталь в среде промывочной жидкости. Однако данная система трения является лишь одной из составляющих, которые в совокупности формируют силу сопротивления движению обсадных и бурильных колонн в скважине. В частности, наличие сальников, а также проницаемых интервалов в стволе скважины приводит к появлению дополнительных сил сопротивления,обусловленных тремя основными явлениями:1) адгезией частиц сальника к металлу колонн; 2) присасыванием колонн к стенке скважины под действием дифференциального давления; 3) разрушением (срезом) и деформацией сальника торцевыми поверхностями замковых соединений труб. Таким образом, силу сопротивления перемещению колонны в скважине можно представить в следующем виде:
^с = FN+FA+FP+FZ, где FN - сила трения, обусловленная прижатием труб к стенке скважины под действием собственного веса, РА - сила адгезии частиц сальника к металлу труб, Рр - сила трения, обусловленная прижатием труб к стенке скважины под действием дифферен-
циального давления, FZ - усилие, необходимое для среза и деформации сальника торцевыми поверхностями соединительных замков труб.
В условиях скважины определить долю конкретной составляющей в общих сопротивлениях движению колонны без применения специальных измерительных устройств невозможно, так как затруднения при использовании показаний ГИВ и роторного моментомера вызывает даже расчет ^с, а тем более, расчет действующих на различных участках ствола коэффициентов трения. Тем не менее знание доминирующей составляющей необходимо для выбора правильной стратегии предупреждения и ликвидации осложнений, связанных затруднением движения труб в скважине. Выявить эту составляющую на этапе проектирования позволяет анализ профиля скважины, а также ее геологического разреза на предмет наличия проницаемых пластов, участков шла-монакопления, источников наработки раствора коллоидной фазой и т.д., что, в принципе, дает возможность сразу подобрать оптимальный смазочный материал для конкретной скважины. Однако в подавляющем большинстве характеристики смазочных добавок, обозначенные их производителями, не дают исчерпывающей информации касательно направленности их функ-
ционального действия, что не дает возможности корректно подобрать смазочные компоненты промывочной жидкости. Истоком этого являются методы испытаний буровых лубрикантов, которые группируются вокруг отдельных составляющих сопротивлений, не охватывая всего диапазона показателей смазочной способности. При этом если в отечественной практике эти методы используют приборы КТК и ФСК и сгруппированы вокруг FN и FA, то за рубежом применяют Sticking Tester, дающий представление о FP, и нет ни одной методики для оценки FZ. Различия в аппаратной части отечественных и зарубежных приборов настолько велики, что разработчики смазочных материалов, преследуя цель получения непротиворечивых результатов, предпочитают использовать только один тип оборудования, забывая о целостной картине работы своих реагентов в скважине. Поэтому часто приходится сталкиваться с лубрикантами, работа которых неоднозначна, как, например, ЛУБРИОЛ, замечательно работающий на снижение FP и практически неэффективный для снижения Fn и Fa. Поэтому на одних скважинах, где возникают в основном дифференциальные прихваты, этот лубрикант дает положительные результаты, а в других, где прихваты обусловлены сальникообразованием по
на правах рекламы
механизму, описанному нами в работе
[1], он совершенно бесполезен и может быть даже опасен. Избежать последней ситуации позволяет комплексное испытание лубрикантов с учетом всех составляющих сопротивлений перемещению колонн, для чего целесообразно использовать лучшие стороны всех имеющихся методик испытаний.
Для оценки FN и FA в наибольшей степени подходит прибор КТК-2, используемый на большинстве отечественных буровых, который предназначен для экспресс-оценки потенциального уровня прихватоопасности применяемого бурового раствора. Определение потенциального уровня прихватоопасности выполняется на основе экспериментальных показателей фрикционных свойств фильтрационной корки, полученной из образца промывочной жидкости и моделирующей сальник на нижней стенке скважины. Изначально прибор не предназначен для оценки предрасположенности к прихватам под действием дифференциального давления, так как все измерения проводятся в атмосферных условиях в отсутствие статического перепада давления между внешней контактной и внутренней прифильтровой поверхностями модели сальника. Возможности оценки фрикционных сопротивлений, обусловленных срезом части сальника торцевыми поверхностями замков бурильных труб, также ограничены конструкцией прибора. Таким образом, наилучшее качество оценки данным прибором достигается для той части
фрикционных сопротивлений перемещению бурильной колонны, которая обусловлена статическим взаимодействием сальника на наклонной части скважины с телом прижатых к нему собственным весом бурильных труб по схеме чистого сдвига.
Основными рабочими элементами прибора КТК-2 являются ложе, корка и цилиндр, моделирующие стенку скважины, сальниковое образование и бурильную трубу соответственно. Основным моделируемым параметром является распределение давления уплотнения корки в зоне контакта, подобие которого обеспечивается заданием отношения диаметра цилиндра к диаметру ложа
в соответствии с натурным значением отношения диаметра бурильных труб к диаметру скважины, принятым равным
0,65. Тем самым достигается идентичность натуре фильтрационных потоков в пористой среде модели сальника (корки) и ее относительного уплотнения под действием давления со стороны модели бурильной трубы (цилиндра). Таким образом, основным процессом, моделируемым прибором КТК-2, является уплотнение корки, протекающее во времени ее контакта с цилиндром. Уплотнение корки во времени контакта происходит нелинейно с максимумом в области его начала и асимптотическим выходом на уровень предельного уплот-
Более 6000 наименований на складе, 8 лет на рынке, поставка от 1 шт.
*■1-----------1-----------г----------1-----------1----------1-----------
О К » 5) • Я «
ВТ»и* шшшл. «к
нения, достигаемого за время контакта порядка 30 минут. В результате уплотнения концентрация твердой фазы в объеме контактирующей зоны корки растет, что вызывает соответствующие изменения фрикционных параметров последней.Указанная взаимосвязь позволяет опосредованно контролировать текущую степень уплотнения корки, от-
Q 10 20 30 4G- 90 Ю
■дочя ннмкп. шт
слеживая динамику ее фрикционных свойств во времени контакта. Показателем фрикционных свойств корки, определяемым прибором КТК-2, является коэффициент липкости, представляющий собой отношение составляющих веса цилиндра, действующих вдоль ^) и по нормали (^ к поверхности корки:
Согласно схеме сил, изображенной на рис.1, коэффициент липкости корки можно выразить в виде тангенса угла наклона ложа к плоскости горизонта (<р) в момент страгивания цилиндра относительно корки:
принимая F=Q*sin(ф) и N=Q*cos(ф), где Q - вес цилиндра. В отличие от коэффициента статического трения,значение которого для конкретной взаимодействующей системы тел постоянно, коэффициент липкости динамически меняется во времени контакта по мере уплотнения корки.
Принцип измерения прибором КТК-2 состоит в обеспечении выполнения равенства F=Kлк•N путем одновременного изменения величин F и N осуществляемого плавным увеличением ф от нуля до равновесного значения. Снимая значение равновесного угла и находя его тангенс, получают текущее значение К^, соответствующее определенному времени контакта, отсчитываемому с момента приведения цилиндра в контакт с коркой.
Находя ряд значений К*,’ при последовательном увеличении времени контакта, получают кривую кинетики коэффициента липкости, типичные примеры которой представлены на рис.2.
Как видно из рисунка, большинство зависимостей выполаживаются с увеличением времени контакта, что позволяет найти предельный коэффициент липкости (К"*6"), соответствующий либо максимальному уплотнению корки для систем промывочных жидкостей, не содержащих специальных смазочных материалов, либо образованию сплошного смазочного слоя этих материалов на контактных поверхностях в случае испытаний других систем промывочных жидкостей. Для цели сопоставления смазочных материалов фиксируют также время контакта, необходимое для выхода на значение К"„ед. Чем меньше значение этого времени, тем эффективнее смазочная добавка, и наоборот. Умножая К"„0Д на усилие прижатия, в случае наличия жидкост-
Рис. 3. Принципиальная схема измерений коэффициента липкости на Sticking Tester
1 - шток передачи момента трения от измерительного диска;
2 - крышка; 3 - исследуемая жидкость; 4 - корпус; 5 - опорная сетка;
6 - фильтрационная корка; 7 - измерительный моментный ключ
Рис. 2. Изменение коэффициента липкости во времени контакта при испытании глинистой суспензии (а) и безглинистого полимер-карбонатного раствора (б) до (БАЗА) и после обработки смазочными добавками
на правах рекламы
а)
I tul
£ cut
У-
1- к тор , дерм rW :
П, 1 £1 X
^ £г 1
1 1-а—: ——а—4
Ь)
і0,1 I
I fts
• і
а
Л- щ
»
Й UHtVli. M
Й0 MO квніявПґя.с
Рис. 4. Результаты оценки прихватываемости 20% суспензии куганакского глинопорошка до (БАЗА) и после (ЛУБРИОЛ, АСОЛ) обработки 0,5% лубрикантов, полученные на КТК-2 (а) и Sticking Tester (б)
ного смазочного слоя на поверхности корки, получаем величину FN, а в общем случае интегральную оценку FN + FA. Из вышеизложенного следует, что при исследовании на КТК-2 максимально достоверно воспроизводится вытеснение противоприхватного компонента добавки на внешнюю поверхность сальника под действием прижимающего усилия со стороны бурильных и обсадных колонн на участках шламонакопления, где отсутствуют проницаемые интервалы. Там же, где присутствуют проницаемые интервалы, более достоверные результаты дает Sticking Tester, схема которого показана на рис.3.
Принципиальным отличием Sticking Tester от КТК-2 является наличие перепада давления между внешней и внутренней поверхностями корки, далее дифференциального давления, как при ее формировании,так и в процессе измерений. Сила трения создается при
вращении измерительного диска вокруг оси штока при наличии усилия, прижимающего диск рабочей поверхностью к внешней стороне корки. В отличие от КТК-2, в Sticking Tester прижимающее усилие создается не весом диска, а возникает за счет разницы давлений на верхнем и нижнем его торцах, появляющейся за счет проницаемости корки. Наличие дифференциального давление приводит к перераспределению фильтрационных потоков в корке, что меняет картину работы смазочных добавок. В частности, если исходить из механизмов их работы, предложенных в работе
[1], «мицеллярная» и «адаптивная» их разновидности, основанные на способности противоприхватного компонента к миграции по поровому пространству сальника, должны терять эффективность своего функционального действия в этих условиях по причине изменения направления миграции в сторону вну-
тренней поверхности корки.Смазочные добавки, работающие по «дисперсионному» механизму, наоборот, должны повышать стабильность своей работы, так как дифференциальное давление уменьшает вымывание противоприхватного компонента потоком промывочной жидкости с поверхности корки. Таким образом, теоретически должна наблюдаться разница в результатах испытаний разнотипных лубрикантов на сравниваемых приборах.
Для выявления упомянутой разницы нами были проведены специальные сравнительные исследования прихватываемости на модельном буровом растворе, характеризующемся наибольшей предрасположенностью к прихватам -20% суспензии куганакского глинопорошка. Использование этого раствора, имеющего показатель фильтрации порядка 48 см3/30мин по АНИ, позволяет быстро получить фильтрационную корку достаточно толстую, чтобы применить измерительный диск со сферическим торцом,чем обеспечивается распределение давления уплотнения в зоне контакта, аналогичное КТК-2. Основным показателем фрикционных свойств корки при использовании этой разновидности диска является «BuLck Sticking Coefficient» (KSC), рассчитываемый как отношение силы, обеспечивающей сдвиг цилиндра относительно корки (FS), к усилию его к ней прижатия (FN):
К<г=^=
1,5Tu/r
Fn Tt-P-R2
6) м
н 1 —
3 “
РКП»
1 гавд* 1 1 1
900 ИИ 1МО
Врсия IDUIKIL им
Рис. 5. Результаты оценки прихватываемости 20% суспензии куганакского глинопорошка до (БАЗА) и после (ЛУБРИОЛ, АСОЛ) обработки 0,5% лубрикантов, полученные на КТК-2 (а) и Sticking Tester (б)
где Ти - момент, измеряемый при начале вращения диска, P - дифференциальное давление, R - радиус пятна контакта.
Нетрудно заметить, что KSC по физическому смыслу есть не что иное, как коэффициент трения, а с учетом изменения свойств корки во времени имеет полное право называться также коэффициентом липкости корки. Таким образом, мы имеем возможность прямого сопоставления результатов измерений на КТК-2 и Sticking Tester по показателю липкости корки, данные о временной динамике которого отражены на рис.4.
Сопоставлялись результаты исследований, полученные на разнотипных смазочных добавках ЛУБРИОЛ и АСОЛ-П, особенности работы которых подробно рассмотрены в источнике
[2]. ЛУБРИОЛ является по сути «дисперсионной» добавкой, обладающей минимальной подвижностью в порах корки,а АСОЛ-П, как и свойственно классу «адаптивных» лубрикантов, наоборот, имеет максимальный уровень лабильности в этих условиях. Первоначально эксперименты проводились с использованием стандартных методик, т.е. без промывки корок, которая, как показано нами в
[2], имеет знаковое влияние на результаты оценки лубрикантов. Результаты этих экспериментов, представленные
на рис.4, доказывают справедливость теоретических предположений, высказанных выше в отношении изменения эффективности лубрикантов в условиях дифференциального давления. Действительно, при переходе от КТК-2 к Sticking Tester К^ед для адаптивной смазочной добавки АСОЛ-П возрастает в 3 раза, тогда как в случае ЛУБРИОЛ существенных изменений этого параметра не наблюдается. В тех случаях, когда направление фильтрационных потоков в корке не имеет решающего значения, т.е. в случае испытания базовой глинистой суспензии, К"Цед практически не зависит от выбранного прибора.
Аналогичные опыты, проведенные с промывкой корок, показали иные результаты, которые представлены на рис. 5.
Снижение эффективности адаптивной добавки в условиях дифференциального давления сохранилось, но при промывке корки это снижение уменьшилось на треть. Это вполне согласуется с теоретической схемой, по которой добавка данного типа уходит вглубь корки, и, соответственно, если размывать ее внешний слой, то обнажаются внутренние слои с большей концентрацией смазочного вещества. Что же касается дисперсионной добавки ЛУБРИОЛ, то тезис об увеличении сопротивляемости поверхностного
смазочного слоя размыву в условиях дифференциального давления не подтвердился - в независимости от прибора промывка корки резко увеличивает К™ во всем диапазоне времени контакта.
Таким образом, можно делать вывод, что однозначных методик оценки противоприхватного действия лубрикантов на сегодняшний день не существует. Каждый из выделенных нами типов смазочных добавок имеет свои сильные стороны и свои недостатки - адаптивные утрачивают часть своей эффективности в условиях дифференциального давления, но восстанавливают ее под влиянием промывки, а дисперсионные, прекрасно работая при дифференциальном давлении, подвержены вымыванию с поверхности сальников, в конечном итоге полностью теряя свою эффективность.
В связи с этим теоретически можно говорить о принципиальной невозможности создания универсальных лубрикантов, так как смешение различных механизмов их функционирования, во всяком случае, в рамках противоприхватного эффекта, приводит к антагонизму взаимного действия. Поэтому на пути снижения коэффициента липкости можно добиться превосходного результата в определенных условиях испытаний, но практически никогда этот результат не может быть распространен на весь спектр условий в скважине. Это является причиной того, что осложнения возникают в одних скважинах и не возникают в других, несмотря на схожесть условий бурения и применяемой реа-гентной базы. В этих обстоятельствах при выборе лубрикантов следует применять обе методики оценки прихватоо-пасности и стремиться к комплексности действия, если только заранее не известно требуемое доминирующее направление их работы, а спецификация таких реагентов должна составляться с учетом различных условий их проверки.
Литература
1. Соловьев А.Я. Разработка адаптивных смазочных добавок для буровых растворов на водной основе. Нефтегазовое дело, 2007, т.5, №7, с.52-57.
2. Соловьев А.Я. Адаптивные смазочные лубриканты - ключ к новым горизонтам в повышении смазочной способности буровых промывочных жидкостей. Территория НЕФТЕГАЗ, 2007, №11, с.14-23.
на правах рекламы
КАЗАХСТАН
МОНГОЛИЯ
* РОССИЙСКАЯ фЕДЕРАцИя
Гпинопорошки бентонитовые для производства буровых растворов
БАЗЭЛ
цемент
Бентонитовые глинопорошки марок ПБМА, ПБМБ# ПБМВ и ПБН производятся согласно ТУ 39-0147001-105-93, имеют сертификат соответствия и медицинский сертификат.
▲\Ч
ХАКБЕНТ
ОАО «Хакасский бентонит» 655151, Республика Хакасия, г. Черногрск-1, а/я 17 Тел./факс: +7 (390-31) 3-13-23, +7 (390-31) 2-08-75 e-mail: [email protected] www.bentonit-khakasia.ru
Предприятие имеет полный цикл производства: от добычи бентонитовых глин до упаковки готового глинопорошка.
Бентонит применяется в производстве ^ буровых растворов. Улучшает их вязкость,
^ что способствует уменьшению водоотдачи и
толщины глинистой корки. Вследствие этого Л улучшается процесс удаления выбуренной
4% породы из скважины, стабилизируется давление
донг в скважине, охлаждается и смазывается
бурильный инструмент.
^ Применяются для приготовления буровых растворов
* различного назначения. Хорошо зарекомендовали себя
на буровых предприятиях Нижневартовска, Сургута, Мегиона, Томска, Красноярска, Иркутска и других.
