CC BY
73
УДК 622.276.6
В.Г. Заливин, М.Г. Руденко
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИЯ КАК СРЕДСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
Приведены результаты обработки буровых растворов при их приготовлении в поле гидродинамической кавитации. Предложенная методика позволяет: увеличить выход раствора из тонны глины; снизить показатель фильтрации растворов; повысить упругие свойства и стабильность буровых систем. Качественное дробление твёрдой фазы за счёт кавитационной обработки способствует возникновению пространственной структуры буровых растворов, обладающей определенной прочностью при меньшем содержании твердой фазы, что позволяет снизить стоимость традиционных материалов для приготовления буровых растворов. Ключевые слова: параметры буровых растворов, поле гидродинамической кавитации, агре-гативная устойчивость систем, снижение стоимости растворов. Библиогр. 3 назв., иллюстр. 7
V.G. Zalivin, M.G. Rudenko
Nathaniel Scientifically Irkutsk State Technical University; 664074, Irkutsk, Lermontov st. 83.
Hydrodynamic cavitation as means of regulation of quality indicators of chisel solutions.
Results of processing of chisel solutions are resulted at their preparation in the field of hydrodynam-ic cavitation. The offered technique allows: to increase an exit of a solution from clay ton; to lower an indicator of a filtration of solutions; to raise elastic properties and stability of chisel systems. Qualitative crushing of a firm phase for the account cavitation processings promotes occurrence of spatial structure of the chisel solutions possessing certain durability at the smaller maintenance of a firm phase that allows to lower cost of traditional materials for preparation of chisel solutions. Keywords: parametres of chisel solutions, a field hydrodynamic cavitation, aggregate stability of systems, depreciation of solutions. Bibliogr. 4 title. Illustr. 7
Решающее значение при сооружении скважины имеют буровые растворы. От их способности выполнять свои функции в различных геолого-технических условиях зависит не только эффективность буровых работ, но и срок службы скважины.
В процессе бурения в скважине постоянно циркулирует поток жидко-
1Заливин Владимир Григорьевич, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: 405-278, 206-5989041402749, е-mail.: [email protected]
Zalivin Vladimir Grigoryevich, Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of chair of oil and gas business. Phone: 405-278, ho 89041402749, е-mail.: [email protected]
2Руденко Михаил Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел.: 31-13-65, 8-914-9036225, е-mail: mg [email protected]
Rudenko Mikhail Georgyevich, Cand.Tech.Sci., the senior lecturer of chair of physics. Phone: 31-13-65, 8-914-9036225, е-mail: mg [email protected]
сти, который принято называть буровым раствором. Название «буровые растворы» не отражает физико-химической сущности этих систем и не соответствует принятому в физхимии значению термина, а означает суспензию взвешенных и коллоидных частиц.
Понятие буровой раствор охватывает все рабочие агенты, используемые для разрушения пород и удаления выбуренной породы из ствола скважины.
Разработка бурового раствора, обладающего свойствами, соответствующими горно-геологическим и техническим условиям бурения и обеспечивающего при этом выполнение заданных функций, приводит к тому, что составы растворов становятся все более сложными и многокомпонентными системами. В настоящее время во многих организациях, являющихся мировыми лидерами в области бурения, стоимость бурового раствора становится одной из главных статей расходов на бурение скважин. Между тем в регионах, где в больших объемах ведутся буровые работы, предприятия испытывают острейший дефицит качественных материалов для приготовления буровых растворов в связи с их высокой стоимостью и сложностью доставки к местам ведения работ.
Наибольшее распространение при бурении скважин получили глинистые растворы. Они представляют собой коллоидную суспензию глинистых частиц. Вода составляет дисперсионную среду, а глинистые частицы - дисперсную фазу. Своеобразие физико-химических свойств коллоидных систем определяется их развитой поверхностью раздела на границе «твердая фаза - дисперсионная среда».
В коллоидных растворах, благодаря наличию большого числа мелкораздробленных частиц, поверхность раздела между твердой и жидкой фазами достигает огромных размеров. Так, с приближением к коллоидной дисперсности суммарная поверхность частиц твердой фазы составляет сотни квадратных метров (площадь поверхностей 1г бентонитовой глины может достигать 800-900 м2). Управление качеством бурового раствора связано, прежде всего, с комплексом явлений на поверхностях раздела фаз, т.е. определяется количеством частиц коллоидных размеров. Основной характеристикой глины является ее коллоидальность, определяющая выход раствора из 1т глины с заданной условной вязкостью.
Для того, чтобы в буровом растворе поверхность раздела имела значительную площадь, необходимо обеспечить высокую степень раздробленности дисперсной фазы. Добиться этого можно двумя путями: дроблением вещества до требуемой дисперсности или объединением молекул и ионов в агрегаты соответствующих размеров. Повышение степени дисперсности систем можно осуществлять с помощью различных физических полей: ультразвуковых, электрических, электромагнитных, электрогидравлических, магнитомеханиче-ских и дезъинтеграторных [3].
Так, с целью повышения качества сапропелевого реагента путем снижения содержания в нем минеральных веществ и повышения структурирующих свойств и солестойкости ультразвуковому воздействию подвергали сапропелевую пульпу. При этом происходил частичный разрыв связей органического вещества сапропелей с минеральной составляющей и разрушение адсорбционных комплексов [2].
Другим, относящимся к разрядно импульсным технологиям методов воздействия, позволяющих активировать буровые растворы, является электроимпульсный способ.
Сущность данного метода, применительно к торфорастворам, заключается в воздействии на смесь торфа с водой импульсными электрическими разрядами с большой концентрацией энергии, что обеспечивает не только диспергирование торфа, даже при высоком содержании в нем волокнистых и слаборазложившихся остатков растений - торфообразователей, но и ведет к изменению его группового состава. Основным рабочим фактором, вызывающим диспергирование торфа, авторы считают кавитационные явления, возникающие при отражении ударных волн, инициируемых расширяющимся каналом разряда от границ раздела фаз «торф-вода». Активация же торфа возможна, как за счет ионообменных процессов, в которых участвуют ионы, образующиеся в сопряженных реакциях между продуктами канала разряда и обрабатываемым торфом, так и за счет ионизационных процессов,
протекающих в межэлектродном промежутке.
Ультразвуковые исследования получили в последнее время значительное развитие, что обусловлено применением надежных и мощных средств излучения и увеличением диапазона генерируемых частот. Основную роль при обработке ультразвуком играет кавитация, т.е. образование пульсирующих пузырьков (полостей), заполненных паром, газом или их смесью. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становятся ниже критического значения, соответствующего порогу кавитации. В ка-витационной области возникают мощные гидродинамические давления в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Кроме того, захлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества, а также выделением газа, содержащего атомарные и ионизированные компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям.
Главным преимуществом электроимпульсного способа по сравнению с другими импульсными технологиями, является относительная простота его реализации, надежная воспроизводимость от импульса к импульсу и связанная с этим возможность автоматизации процесса, невысокое энергопотребление (напряжение питания сети 220 В) и, наконец, возможность размещения оборудования непосредственно на буровой.
Отметим, что рассмотренные выше методы приготовления буровых растворов, так или иначе связаны с использованием гидродинамических процессов, сопровождающих этапы существования кавитаци-онного пузырька.
По В.М. Ивченко [1], технологическая эффективность кавитации обеспечивается следующими сопутствующими гидродинамическими процессами: - возникновением интенсивных полей давления (порядка 100 мПа) и волн разряжения - сжатия, возникающих при
пульсациях парогазовых каверн и микропузырьков или в начальной стадии их смыкания;
- кинетическим воздействием куммуля-тивных ультраструек (диаметр 30-70 мкМ, со скоростью 100-200 м/с), появляющихся в ассиметричном поле давления, на заключительной стадии схло-пывания каверны перед ее разрушением и дроблением на более мелкие полости и микропузырьки;
- образованием в потоке за телом или каверной турбулентных зон, заполненных вихрями и смыкающимися микропузырьками инфразвукового и ультра-звукого диапазона частот.
Комплексное воздействие указанных гидродинамических процессов на смесь глинопорошка и воды должно приводить к образованию тонкодисперсной суспензии, соответствующей технологическим требованиям, предъявляемым к используемым в настоящее время буровым растворам.
В отмеченных ранее методах приготовления буровых растворов [2, 3], кавитация возбуждается косвенным воздействием на среду - наложением колебаний на жидкую среду или электрическим разрядом. Но косвенные методы, как правило, недостаточно эффективны. Представляется, что для приготовления буровых растворов более целесообразно использовать гидродинамическую кавитацию - как явление образования разрывов сплошности среды при понижении давления.
С целью проверки эффективности воздействия гидродинамической кавитации на смесь воды и глинопорошка, были проведены экспериментальные исследования по приготовлению буровых растворов.
Растворы готовились из смеси технической воды и бентонитовой глины в диапазоне массовых концентраций: 4, 6, 8 и 10 %.
Контрольные растворы готовились тщательным механическим перемешиванием исходных компонентов, что обеспечило получение однородной суспензии.
Экспериментальные растворы готовились непосредственно в гидродинамическом кавитационном устройстве малой производительности. Во всех случаях число кавитации, рассчитанное по параметрам водной фазы, не изменялось и равнялось примерно 0.5, что соответствовало пузырьковой стадии развития кавитации
Перед перемешиванием (рис. 1), навеска глинопорошка (1) оседала на дно емкости (2), что позволяло запускать генератор кавитации (3) на относительно чистой воде. После вывода генератора на рабочий режим, положение шлангов (5, 6) регулировалось вручную таким образом, чтобы струя воды из выпускного патрубка образовывала смесь глинопорошка и воды, а входной патрубок засасывал эту смесь.
Принятая методика привела к неко-
Рис. 1. Схема приготовления буровых растворов в гидродинамическом кавитацион-ном устройстве
Кощентрация твердой фазы, % Исходный раствор Обработанный раствор
торому увеличению времени приготовления суспензии, но энергетические затраты на приготовление и обработку раствора в различных сериях эксперимента не превысили 5 кВт-ч/т.
Контроль качества получаемых суспензий производился по стандартной методике, используемой при исследовании параметров буровых растворов.
Зависимость условной вязкости (УВ) и показателя фильтрации (Ф) буровых растворов от концентрации твердой фазы приведена на рис. 2, 3.
Здесь и далее дополнительно приведены соответствующие статистические модели и значения коэффициента детерминации.
При кавитационной обработке исходного раствора с содержанием твёрдой фазы от 3.5 до 10,5 % наблюдается существенное уменьшение вязкости раствора. Улучшение реологических характеристик раствора способствует лучшей его очистке от шламов выбуренных пород и снижению мощности на прокачивание, что повышает механическую скорость бурения.
Одновременно с уменьшением вязкости, в поле гидродинамической кавитации происходит увеличение статического напряжения сдвига (рис.4,5).
Для оптимизации содержания и состава твердой фазы, а также методов управления свойствами растворов, обеспечивающих эффективную работу долот, важным является контроль диспергирующей способности раствора.
о -1--1-
3 5 7 9 11
Концентрация твердой фазн %
■—■—я Исходный раствор ■ I I Обработанный раствор
Рис.2. Зависимость условной вязкости суспензии от концентрации глинопо-рошка
Рис. 3. Зависимость показателя фильтрации от концентрации глино-порошка
Концетрация твердой фазы,%
-♦-Обработанный раствор Игхплный паггепп
Рис.4. Характер изменения структуры раствора через 1 мин. после приготовления от концентрации глинопорошка
-1 г-^Н
5 7 9 11
Концентрация твердой фазы,%
_■ Исходный раствор
—• Обработанный раствор
Рис.5. Характер изменения структуры раствора через 10 мин. после приготовления от концентрации глинопорошка
Желательно иметь буровые растворы с низким содержанием твердой фазы и технологически оправданными значениями вязкости.
Реологические свойства бурового раствора (см. рис.2,4,5) играют решающую роль в процессе бурения скважин. От этих свойств зависит эффективность удаления шлама выбуренных пород, снижение гидродинамических сопротивлений при прокачивании. Своевременное и качественное удаление шлама (повышенные значения СНС1 и СНСю) увеличивают механическую скорость бурения, а снижение давления при прокачивании (меньший показатель «условная вязкость» при нормированной плотности) уменьшает нагрузку на разбуриваемые породы, что способствует предотвращению гидроразрыва пласта. Неудовлетворительные реологические свойства могут привести к таким серьезным осложнениям, как образование пробок в стволе скважины, забивание шламом призабойной зоны ствола, снижение механической скорости бурения, размыв стенок ствола, прихват бурильной колонны, поглощение бурового раствора.
При бурении в сложных геологических условиях (наличие значительных толщ потенциально неустойчивых глинистых и хемогенных отложений) на первый план выдвигается задача предупреждения осложнений и обеспечения успешной безаварийной проводки скважины.
При выборе растворов для этих условий, помимо регламентирования плотно-
сти, должна решаться задача физико-химической механики приствольной зон, которая находится в напряженном состоянии и взаимодействует с фильтратом бурового раствора, что тесно связано с направлением и интенсивностью влагопе-реноса. Показатель фильтрации (см. рис.3) и коркообразования (рис.6) используется в качестве критерия для оценки влияния раствора на устойчивость глинистых и слабосвязанных пород и учитывает влияние капиллярной пропитки, диффузии, осмотического массопереноса, ионного и полимерного ингибирования на процессы гидратации и диспергирования глинистых пород.
Концентрация твердой фазы,%
■—■—■ Исходный раствор I I I Обработанный раствор
Рис. 6. Изменение толщены глинистой корки суспензии в зависимости от концентрации глинопорошка
В зависимости от свойств пласта фильтрационная корка формируется на поверхности ствола скважины либо внутри поровых каналов. Состав корки определяется концентрацией и типом твердой фазы
в растворе и ее гранулометрическим составом. Смачивание горных пород рыхлого комплекса в процессе бурения с промывкой резко уменьшает прочность стенок скважины и, следовательно, их устойчивость. Чем дальше распространяется зона смачивания, тем интенсивнее идет процесс разрушения стенок. Этот процесс усиливается вследствие размывающего действия промывочной жидкости, наличия в ней веществ, способствующих разрушению горных пород. Кроме того, ряд буровых растворов содержит твердую фазу, которая, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах, образует малопроницаемую для жидкой фазы корку. Такая корка, обладая определенной механической прочностью, связывает слабосцементиро-ванные частицы горных пород, замедляет или полностью останавливает процесс дальнейшего распространения смоченной зоны вокруг ствола скважины. Во всех случаях при вскрытии потенциально неустойчивых пород целесообразно иметь минимальные значения показателя фильтрации и толщины глинистой корки.
Увеличение статического напряжения сдвига при одновременном уменьшении вязкости можно объяснить более равномерным распределением дисперсной фазы, что указывает на образование коллоидной системы.
Об этом свидетельствуют и данные по измерению суточного отстоя в зависимости от концентрации глины. При малых концентрациях твердой фазы суспензия, приготовленная в поле гидродинамической кавитации, не расслаивалась, т.е. более стабильна по отношению к исходному раствору, что возможно только в коллоидной дисперсной системе (рис. 7).
Способность глинистого раствора сопротивляться агрегированию глинистых частиц и коагуляции определяет его стабильность.
Агрегированная устойчивость системы обеспечивается не только окружающими глинистые частицы сольватными оболочками, но также и «электростатическим барьером», возникающим в результате совместного действия сил молекулярного
притяжения и электростатического отталкивания.
■—■ и Исходный раствор ■ » ■ Обработанный раствор
Рис. 7. Изменение суточного отстоя суспензии в зависимости от концентрации глинопорошка
Главная задача при обработке раствора состоит в регулировании агрегатив-ной и кинетической устойчивости системы в изменившейся среде.
Предложенная методика кавитацион-ной обработки буровых растворов позволяет: увеличить выход раствора из тонны глины (соответственно уменьшить расход глинистого сырья); снизить показатель фильтрации растворов и получить тонкую непроницаемую глинистую корку; повысить тиксотропные свойства и стабильность буровых промывочных систем. Качественное диспергирование твёрдой фазы за счёт кавитационной обработки способствует возникновению пространственной структуры буровых растворов, обладающей определенной прочностью при меньшем содержании твердой фазы, что позволяет снизить дефицит и стоимость традиционных материалов для приготовления буровых растворов.
Производство буровых работ в России, даже в период относительной стабилизации экономики, характеризовалось нехваткой в требуемых количествах качественных глин. В настоящее время для России это положение еще более осложнилось вследствие того, что основные месторождения бентонитовых глин оказались за её пределами. Поэтому уменьшение размеров частиц дисперсной фазы буровых растворов до степени коллоидности методом кавитационной обработки решает такие актуальные задачи как:
1. получение буровых растворов с низким содержанием твёрдой фазы, обладающих заданными технологическими свойствами;
2. возможность получения качественных по своим технологическим параметрам буровых растворов из низкосортных глин;
3. повышение качественных показателей буровых растворов при обработке их непосредственно в процессе бурения.
Главное назначение физико-механической активациионной обработки - это стабилизация бурового раствора как дисперсной системы и изменение в нужном направлении его структурно-механических и фильтрационных свойств. Управляя внутренними физико-химическими процессами в буровом растворе, можно добиться изменения его свойств в нужном направлении.
Кавитационную обработку бурового раствора рекомендуется проводить в следующих целях: - повышения агрегативной устойчивости глинистого раствора и стабильности сложных многокомпонентных систем (эмульсионных, аэрированных и т.п.);
снижения показателя фильтрации бурового раствора, уменьшения толщины и липкости корки;
изменения вязкости (снижения) и статического напряжения сдвига (повышения);
придания буровому раствору специальных свойств (термостойкости, соле-стойкости и др.).
Библиографический список
1. Марамзин А.В., Фигурак А.А. Физические способы приготовления и регулирования технологических параметров промывочных жидко-стей/Техн. и тахнол. геол. -развед. работ; орг. пр-ва./Обзор/ВНИИ экон. минер. сырья и геол. -развед. работ. -М.: ВИЭМС -1983. -С. 45.
2. Косаревич И.В., Битюков Н.Н., Шма-вонянц В.Ш. Сапропелевые буровые растворы / Под ред. И.И. Лиштвана.-Минск: Наука и техника, 1987. - 191 с.
3. Ивченко В.М. Элементы кавитацион-ной технологии. /Гидродинамика больших скоростей. Межвузовский сб. Красноярск: КПИ, 1982. -С. 3-19.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры нефтегазового дела НИ ИрГТУ Г.В. Зверев
