CC BY
16
УДК 622.243
DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-125-129
ЭТАНОЛАМИННЫЙ БУРОВОЙ ЭМУЛЬСИОННЫЙ ОЧИСТНОЙ АГЕНТ © В.В. Большаков1, Н.П. Коновалов2, Т.В. Шинкова3
1-3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлен состав и некоторые отличительные свойства этаноламинного бурового эмульсионного очистного агента, применяемого при бурении скважин в крепких породах твердосплавными, алмазными и шарошечными породоразрушающими инструментами. Агент состоит из воды, диспергированной в ней смеси гудронов с триэтаноламином и диспергатора НФ. Состав очистного агента, вес. %: смесь гудронов - 1-2; триэтаноламин - 0,1-0,8; диспергатор НФ - 0,05-0,20; вода - остальное. Диспергатор НФ повышает стойкость эмульсионного очистного агента при жесткости находящихся в скважинах подземных вод до 150 мг-экв/л. Без диспергатора НФ стойкость очистного агента сохраняется при жесткости воды до 90 мг-экв/л. Агент характеризуется хорошими смазочными (антифрикционными) свойствами и низким поверхностным натяжением. Смазочные свойства охарактеризованы коэффициентом трения, значения которого находятся в пределах 0,08-0,10. Поверхностное натяжение на границе с воздухом составляет 0,035-0,046 Н/м. Агент без диспергатора также характеризуется хорошими смазочными свойствами, но имеет в своем составе более значительные количества смеси гудрона и триэтаноламина.
Хорошие смазочные свойства эмульсионного очистного агента повышают износостойкость опор шарошечных долот, позволяют реализовать эффективное высокооборотное бурение алмазными и твердосплавными породоразрушающими инструментами при ограниченной мощности привода бурового станка. Как вещество с низким поверхностным натяжением (поверхностно-активное вещество) этаноламинный буровой эмульсионный очистной агент понижает твердость поверхностного слоя крепких пород забоя и способствует их разрушению породоразрушающим инструментом. Комплексное (интегральное) воздействие эмульсионного этаноламинного очистного агента на процесс бурения скважин как смазывающего (антифрикционного) вещества и как вещества, понижающего твердость горных пород, приводит к увеличению механической скорости бурения не менее чем на 38% и стойкости алмазных коронок на 39%.
Этаноламинный буровой эмульсионный солестойкий очистной агент рекомендуется применять при бурении скважин различного назначения в крепких породах породоразрушающими инструментами как режущего, так и шарошечного типа. При жесткости воды до 90 мг-экв/л применять диспергатор не требуется.
Ключевые слова: бурение скважин, очистной агент, триэтаноламин, смесь гудронов, диспергатор, коэффициенты трения и поверхностного натяжения.
Формат цитирования: Большаков В.В., Коновалов Н.П., Шинкова Т.В. Этаноламинный буровой эмульсионный очистной агент // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2016. № 4 (57). С. 125-129. DOI 10.21285/0130-108Х-2016-57-4-125-129.
ETHANOLAMINE DRILLING EMULSION CLEANSING AGENT V.V. Bolshakov, N.P. Konovalov, T.V. Shinkova
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Большаков Владислав Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологий геологической разведки, тел.: (3952) 405754, e-mail: [email protected]
Bolshakov Vladislav, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technologies of Geological Prospecting, tel.: (3952) 405754, e-mail: [email protected]
2Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры физики, тел.: (3952) 405177, e-mail: [email protected].еdu
Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Physics, tel.: (3952) 405177, e-mail: [email protected].еdu
3Шинкова Татьяна Владиславовна, старший преподаватель кафедры физики, тел.: (3952) 405232, e-mail: [email protected]
Shinkova Tatiana, Senior Lecturer of the Department of Physics, tel.: (3952) 405232, e-mail: [email protected]
The article describes the composition and some distinctive properties of an ethanolamine drilling emulsion cleansing agent used in drilling hard rocks by carbide, diamond and roller cutter drilling tools. The agent is composed of water, a mixture of tars with triethanolamine dispersed in it and a dispergator NF. The composition of the cleansing agent is as follows, weight %: tar mix - 1-2; triethanolamine - 0,1-0,8; dispergator NF - 0,05-0,20; water - the rest. Dispergator NF improves the stability of the emulsion cleansing agent under the hardness of underground waters present in the wells up to 150 mg-equ/l .Without the dispergator NF the stability of the cleansing agent is preserved under the water hardness up to 90 mg-equ/l. The agent is characterized by good lubricating (drag reducing) properties and low surface tension. Lubricating properties are characterized by the friction factor ranging within 0,08-0,10. The surface tension in the border with air is 0,035-0,046 n/m. Dispergator-free agent is also characterized by good lubricating properties, but includes greater quantities of tar and triethanolamine mixture.
Good lubricating properties of the emulsion cleansing agent improve the wear resistance of driller bit legs, allow to implement effective high-speed drilling by diamond and carbide rock cutting tools under limited power of a drilling rig drive. Being a substance with low surface tension (surfactant) ethanolamine drilling emulsion cleansing agent reduces the hardness of the surface layer of hard rocks in the face and helps to destruct them by a rock cutting tool. Complex (integral) effect of emulsion ethanolamine cleansing agent on well drilling as a lubricating (drag reducing) substance and as a substance that decreases the hardness of rocks leads to the increase in mechanical speed of drilling not less than by 38% and durability of diamond drill bits by 39%.
Ethanolamine drilling emulsion salt-resistant cleansing agent is recommended for the drilling of various purpose wells in hard rocks by rock cutting tools of both cutting and rotary type. When the water hardness is up to 90 mg-equ/l it is not necessary to use a dispergator.
Keywords: well drilling, cleansing agent, triethanolamine, tar mixture, dispergator, coefficients of friction and surface tension
For citation: Bolshakov V.V., Konovalov N.P., Shinkova T.V. Ethanolamine drilling emulsion cleansing agent. Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences, Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits. 2016. No. 4 (57). Pp. 125-129. DOI 10.21285/0130-108X-2016-57-4-125-129.
Эмульсионные очистные агенты широко применяяются при бурении скважин различными породоразрушаю-щими инструментами [1]. Они представляют собой эмульсионные буровые растворы (системы), состоящие из двух или нескольких взаимно нерастворимых жидких фаз, одна из которых диспергирована в другой.
При бурении применяются два типа эмульсий. Эмульсии первого рода -«масло в воде» (м/в), то есть масло находится в водной среде в виде мельчайших шариков, эмульсии второго рода - «вода в масле» (в/м), то есть вода в виде мельчайших частиц находится в масле. Для придания эмульсии устойчивости используют специальные реагенты -эмульгаторы [2].
Отличительными свойствами эмульсионных очистных агентов являются хорошие смазочные (антифрикционные) свойства и низкое поверхностное натяжение. Такие свойства этих агентов позволяют реализовать эффективный процесс твердосплавного и алмазного бурения на высоких частотах вращения
бурового инструмента, повысить стойкость породоразрушающих инструментов режущих типов, износостойкость опор шарошечных долот и активно воздействовать на процесс разрушения горных пород забоя с меньшими энергозатратами [3, 4].
Смазочные свойства очистных агентов характеризует коэффициент трения скольжения бурового инструмента по породе. Значение коэффициента трения зависит от характеристики пород, породоразрушающего инструмента, типа и состава очистного агента, параметров режима бурения и ряда других факторов. Коэффициент трения твердосплавных резцов о породу находится в пределах 0,08-0,40 [5]. При скольжении стальных образцов по граниту в водной среде со скоростью 1-3 м/с коэффициент трения составляет 0,188-0,276, а в эмульсии, содержащей 1% смеси гудро-нов, он уменьшается до 0,078-0,059. В целом коэффициент трения меняется с изменением скорости скольжения инструмента по горной породе [4].
Поверхностное натяжение буровых растворов на границе с воздухом находится в пределах 0,073-0,035 Н/м.
Этаноламинный эмульсионный буровой раствор относится к эмульсиям первого рода. В отличие от многих растворов, применяемых при бурении скважин очистных агентов, в нем содержится диспергатор НФ, а в качестве омыляю-щего смесь гудронов реагента применен триэтаноламин, а не каустическая сода [6].
Диспергатор НФ представляет собой смесь натриевых солей динафтилме-тиленсульфакислот (С2lНl6SOз) и дина-фтилметилендисульфакислот (C2lHl6S2O6).
Триэтаноламин - бесцветная жидкость, смешивается с водой во всех соотношениях, слабое основание, химическая формула С6Нl5NОз, плотность -1,124 г/см3.
В таблице приведены состав и свойства этаноламинного очистного агента с диспергатором и без дисперга-тора. Коэффициент трения к относится к
трению стали по граниту, а поверхностное натяжение а - к границе эмульсии с воздухом.
Плотность очистного агента составляет 1000-1020 кг/м3, условная вязкость по вискозиметру ВБР 1 - 16-18 с.
Из таблицы видно, что минимальное значение коэффициента трения и поверхностного натяжения свойственно эмульсионному очистному агенту № 3, стойкому при жесткости воды до 150 мг-экв/л. Состав агента № 6, не содержащий диспергатор, по своим свойствам одинаков с составом № 1, но содержит в сравнении с ним в два раза больше смеси гуд-ронов и в пять раз больше триэтанола-мина. Коэффициенты трения и поверхностного натяжения эмульсионного раствора смеси гудронов, омыленной NaOH, находятся в пределах к = 0,180,14, а = 0,55-0,48 Н/м. Эти показатели по трению почти вдвое больше, а по поверхностному натяжению на 1,01 Н/м меньше показателей, характеризующих этаноламинный эмульсионный очистной агент [6].
Номер раствора Состав раствора, вес.% Свойства
Смесь гудронов Триэтаноламин Диспергатор НФ Вода Коэффициент трения к, Поверхностное натяжение а, Н/м Стойкость раствора при жесткости воды, мг-экв/л
1 1 0,1 0,05 до 100 0,1 0,040 90
2 1,5 0,25 0,10 0,09 0,036 120
3 2,0 0,50 0,15 0,08 0,034 150
4 1,0 0,10 - 0,13 0,052 90
5 1,5 0,25 - 0,11 0,046 120
6 2,0 0,50 - 0,1 0,040 150
7 2,5 0,80 0,05 0,1 0,035 150
8 1,0 0,10 0,05 0,1 0,040 90
9 1,5 0,25 0,10 0,09 0,036 120
10 2,0 0,50 0,15 0,08 0,034 150
11 2,5 0,80 0,20 0,08 0,035 150
Состав и свойства бурового эмульсионного очистного агента
Профессор Е.Ф. Эпштейн предложил формулу расчета скорости бурения с промывкой водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ):
V2 ^ V1
а,
а.
где 01 и 02 - коэффициенты поверхностного натяжения воды и водного раствора ПАВ на границе с воздухом соответственно; VI и У2 -скорости бурения при промывке водой без добавки ПАВ и с ней соответственно, м/ч [7].
В этой формуле нет коэффициента трения, а технологический режим по частоте вращения породоразрушающего инструмента составлял не более 128 об. /мин. С широким распространением в настоящее время высокооборотного бурения для прогнозирования скоростей эта формула не применяется.
В целом эмульсионный этанола-минный очистной агент оказывает комплексное, интегральное воздействие на процесс бурения. Он действует как
смазка всего работающего в скважине инструмента и как вещество, способствующее абсорбционному понижению прочности поверхностного слоя твердых горных пород. Бурение с использованием этаноламинного очистного агента характеризуется увеличением технико-экономических показателей буровых работ. Например, в сравнении с показателями бурения с применением эмульсионной жидкости ЭН-4 пород Х-Х11 категорий буримости на железорудном месторождении механическая скорость увеличилась на 38%, стойкость алмазных коронок - на 39%, расход алмазов на один метр бурения уменьшился на 34%.
Этаноламинный буровой эмульсионный очистной агент целесообразно применять при бурении скважин различного назначения в крепких породах по-родоразрушающими инструментами как режущего, так и шарошечного типов. При жесткости воды до 90 мг-экв/л можно применять эмульсионный очистной агент без диспергатора НФ.
Библиографический список
1. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Т. 2 / под общ. ред. Е.А. Козловского. М., Недра, 1984. 437 с.
2. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси. М., Недра, 1987. 240 с.
3. Воздвиженский Б.И., Голубен-цев О.Н., Новожилов А.Л. Разведочное бурение. М., Недра, 1979. 510 с.
4. Яров АН., Жидовцев К.М., Гильман К.М. [и др.]. Буровые растворы
с улучшенными смазочными свойствами. М., Недра, 1975. 143 с.
5. Нескоромных В.В., Пушмин П.С. Бурение скважин. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. 396 с.
6. А. с. № 908784. Эмульсионный буровой раствор / П.А. Лещинский, В.В. Большаков, А.И. Пукас. Бюллетень изобретений № 8, 1982.
7. Эпштейн Е.Ф. Опыт бурения скважин в Донбассе с применением поверхностно-активных веществ. Киев: Изд-во УкрНИИНТИ, 1970. 18 с.
References
1. Kozlovskii E.A. Spravochnik in-zhenera po bureniyu geologorazve-dochnykh skvazhin [Engineer manual on drilling of exploration wells]. V. 2. Moscow, Nedra Publ., 1984. 437 p.
2. Ivachev L.M. Promyvochnye zhidkosti i tamponazhnye smesi [Flush
fluids and cementing mixture]. M., Nedra, 1987. 240 p.
3. Vozdvizhenskii B.I., Golubentsev O.N., Novozhilov A.L. Razvedochnoe bu-renie [Exploration drilling]. Moscow, Nedra Publ., 1979. 510 p.
4. Yarov A.N., Zhidovtsev K.M., Gil'man K.M. Burovye rastvory s uluchshennymi smazochnymi svoistvami [Drilling muds with improved lubricity]. Moscow, Nedra Publ., 1975. 143 p.
5. Neskoromnykh V.V., Pushmin P.S. Burenie skvazhin [Drilling of wells]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2014. 396 p.
6. Leshchinskii P.A., Bol'shakov V.V., Pukas A.I. Emul'sionnyi burovoi
rastvor [The emulsion drilling fluid]. Avtorskoe svidetel'stvo № 908784. Byullet-en' izobretenii № 8 [Certificate of Authorship no. 908784. Bulletin of Inventions no. 8], 1982.
7. Epshtein E.F. Opyt bureniya skvazhin v Donbasse s primeneniem poverkh-nostno-aktivnykh veshchestv [Experience of drilling wells in the Donbass using surfactants]. Kiev, UkrNIINTI Publ., 1970. 18 р.
Статья поступила 01.09.2016 г.
Article received 01.09.2016.
