Пенообразующие составы для получения пен с регулируемыми сроками разрушения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.276.6

ПЕНООБРАЗУЮЩИЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН С РЕГУЛИРУЕМЫМИ СРОКАМИ РАЗРУШЕНИЯ

В.Г. Заливин1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермотова,83.

Объектом исследований являются составы и параметры разрушаемых пен, полученных с использованием карбамидных смол и пенообразователей различных марок, период разрушения которых в спокойном состоянии регулируется изменением концентрации хлористого кальция.

Библиогр. 2 назв. Табл. 8.

Ключевые слова: саморазрушающаяся пенообразующая композиция; карбамидная смола: КФ-17, КФ-Ж, КФ-МТ; пенообразователь: сульфанол, сульфонат Е-30; хлористый кальций.

FOAMING COMPOSITIONS TO OBTAIN FOAMS WITH CONTROLLED DESTRUCTION PERIODS

V.G. Zalivin

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The objects of investigation are compositions and parameters of the destructed foams derived from carbamide resins and foaming agents of various marks, whose defoaming period in undisturbed condition is regulated by changing of calcium chloride concentration.

2 sources. 8 tables.

Key words: self-destroying foaming composition; carbamide resin: КФ-17, КФ-Ж КФ-МТ; foaming agent: sulfanole, sulfonate, Е-30; calcium chloride.

В последнее время в отечественной и зарубежной практике буровых работ на твёрдые полезные ископаемые среди новых высокопроизводительных технико-технологических методов их ведения всё более значительное место занимает бурение скважин с очисткой забоя стабильными пенами.

Сложность горно-геологических и других условий бурения в различных регионах страны (наличие многолетнемёрзлых и неустойчивых пород, трещиноватых поглощающих промывочную жидкость горизонтов и зон дробления, затруднённое водоснабжение объектов работ) предопределяет широкое внедрение этого способа в сходных условиях Восточной Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока.

Ряд положительных свойств пены, сочетание преимущества воздуха и промывочных жидкостей, позволяют при определённых условиях в большинстве случаев получить значительный экономический эф-

фект и улучшить экологическую обстановку на объектах геологоразведочных работ. Однако одним из факторов, сдерживающих более широкое применение стабильных пен, является трудность их разрушения при выходе из скважины, применение для этого специального оборудования, приспособлений и дорогостоящих реагентов пеногаси-телей, а также сложность и даже невозможность повторного использования пенно-образующего раствора.

Очистка выходящей из скважины пены от выбуренной породы представляет собой довольно сложную проблему, т.к. пена обладает длительными сроками саморазрушения. Так, для двухфазной пены этот срок составляет несколько часов, а для трёхфазной - несколько суток.

Время жизни пены зависит от многих факторов: вида ПАВ, его концентрации в растворе, кратности, температуры и дисперсности пены, а также стабилизирующих

:Заливин Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, 89041402749.

Zalivin Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of Department of Petroleum Engineering, tel.: (3952) 405278, 89041402749.

и других добавок. Разрушение пены, полученной на основе неионогенных и катион-ных ПАВ, происходит быстрее, чем на основе анионных ПАВ.

Для разрушения пен при бурении скважин используют принудительные способы - химические, механические, физические и комбинированные.

Химический способ пеногашения весьма эффективен, но ведёт к повышению себестоимости буровых работ из-за значительного расхода и высокой стоимости реа-гента-пеногасителя. Кроме того, из-за возможности загрязнения им пеннообразу-ющего раствора снижается его повторная пенообразующая способность и дальнейшее его использование становится невозможным. К тому же полностью погасить пену реагентом-пеногасителем не удаётся и часто приходится использовать дополнительные дегазационные устройства. Поэтому применение этого способа в геологоразведочном бурении малоцелесообразно.

Механические способы пеногашения основаны на разрушении пены путём механического воздействия на пузырьки газа и подразделяются на:

- центробежные (пена разрушается движущими устройствами-полостями, дисками, конусами или разбивается о неподвижную поверхность);

- гидродинамические и аэродинамические (пена разрушается под давлением струи жидкости или сжатого воздуха);

- барометрический (разрушение происходит за счёт изменения давления внутри пузырьков);

- вибрационные (разрушение за счёт возвратно-поступательного движения колец, насаженных на вал магнитострик-ционного вибратора).

Основным недостатком механических способов разрушения пен является необходимость использования в технологических линиях дополнительных устройств, усложняющих процесс бурения.

К физическим способам разрушения пен относятся термический и акустический.

Термический способ основан на испарении жидкости из оболочек пузырьков пены при повышении их температуры под воздействием струи пара или непосредственно при их контакте с нагревателем (змеевиком, электроспиралью и т.п.). При этом температура нагревателей в зоне разрушения пены должна быть выше температуры кипения раствора ПАВ.

Этот способ наряду с определёнными преимуществами (простота конструктивного исполнения, не вызывает повторного пенообразования) имеет существенные недостатки:

- интенсивное образование накипи на нагревателях, снижающих КПД пенога-сителя, и дополнительные затраты средств и времени на очистку;

- способ энергоёмок и не безопасен (поскольку пена электропроводна).

Акустический способ реализуется с помощью ультразвуковых аэродинамических вихревых пеноразрушителей.

По ряду специфических особенностей геологоразведочного бурения большинство перечисленных способов пеногашения и разработанные для их осуществления технические устройства не могут быть использованы в этой области.

Предлагаемые пенообразующие составы позволяют получать пены с регулируемыми сроками саморазрушения в состоянии покоя после выхода их из скважины, при этом не требуется применения специального оборудования для принудительного разрушения. В процессе циркуляции пены предлагаемого состава ведут себя так же, как обычные стабильные пены, получаемые традиционными способами, и не подвергаются в скважине значительному разрушению под воздействием изменяющихся условий бурения, но при выходе из скважины в состоянии покоя саморазрушаются, а при дальнейшем нагнетании вновь образуют в циркуляционной системе стабильную газожидкостную смесь.

Ранее проведёнными исследованиями [1, 2] изучено влияние катионов I, II и Ш групп периодической системы элементов на технологические параметры стабилизиро-

ванной пены, полученной из композиции сульфанол - карбамидная смола. Токсикологические данные показывают, что в качестве регулятора периода полураспада пен следует использовать только соли кальция, т.к. добавка М^ не способствует разрушению пен, а Ва токсичен. Также они показывают, что для выяснения механизма образования быстроразрушающихся пен следует обратиться к знаниям, накопленным в определенной области биохимии, а именно, биохимии мембран, и попытаться сочетать их с одной из теорий стабильности пен.

В результате экспериментальных исследований и теоретических представлений, объясняющих механизм регулирования сроков разрушения пен, установлено:

- период полураспада пен зависит от содержания в растворе соли двухвалентного металла II группы, а с увеличением концентрации соли период полураспада пен уменьшается;

- соли одновалентных элементов калия, натрия и трёхвалентного алюминия не могут быть применены для регулирования сроков разрушения пен ввиду многоэкстремальной их зависимости от концентрации;

- сроки разрушения пен зависят от содержания в растворе катионов меди и никеля, однако уменьшение периода полураспада с увеличением концентрации катионов сопровождается интенсивным снижением кратности пены;

- для практических целей при созда-

нии пен с регулируемыми сроками разрушения могут быть рекомендованы только соли кальция;

- в условиях стабилизации пен глинами в процессе бурения уменьшение периода полураспада пен может быть достигнуто введением в раствор повышенного количества хлористого кальция.

Экспериментально найдено оптимальное соотношение компонентов в композиции (массовое отношение сульфанол: смола КФ-Ж = 1:2,5) и содержание её в растворе (10 г/л). Катионы взяты в виде хлоридов натрия, калия, магния, кальция, бария, никеля, алюминия и сульфата меди. Исследованы две области концентрации солей в растворе: от 0 до 0,5 г/л и от 0,5 до 10 г/л. Сульфанол 2,5-5,0;

карбамидная смола КФ-МТ 4,0-13,0; хлористый кальций 0,08-0.5;

вода «остальное».

В состав быстроразрушаемой пено-образующей композиции должны входить анионактивный пенообразователь, карба-мидная смола и хлористый кальций (табл. 1). Исследованы смолы КФ-17, КФ-Ж, КФ-МТ, эффективность их действия изучена с применением в практике бурения пенно-образователей: сульфанола, сульфоната, эмульгатора Е-30. Методом однофазного эксперимента установлено следующее. С увеличением содержания хлористого кальция в растворе уменьшается период полураспада и кратность пены (табл. 1),

Содержание компонентов, г/л Параметры пены

Сульфанол Смола КФ-17 СаС12 Кратность Период полураспада, с Время истечения 50% пеноб-разующей жидкости, с

2,5 5,0 - 7,0 2700 360

2,5 5,0 0,05 6,2 900 360

2,5 5,0 0,1 4,7 840 360

2,5 5,0 0,2 4,5 420 330

2,5 5,0 0,5 3.7 480 340

Таблица 1

Влияние концентрации хлористого кальция на параметры саморазрушаемых пен

Таблица 2

Влияние концентрации карбамидной смолы на параметры саморазрушаемых пен

Содержание компонентов, г/л Параметры пены

Суль- Смола СаС12 Крат- Период полу- Время истечения 50% пенооб-

фанол КФ-17 ность распада, с разующей жидкости, с

2,5 1.1 0,1 7,2 3150 420

2,5 4,2 0,1 6,4 720 570

2,5 5,6 0,1 6,3 510 510

2,5 6,7 0,1 6,1 540 510

2,5 22,4 0,1 6.6 2340 2340

а стабильность и устойчивость пены в значительной степени определяются содержанием в растворе карбамидной смолы (табл. 2). Для условий геологоразведочного бурения целесообразно применение пены с периодом полураспада в пределах 120-1200 с. Из приведённых данных следует, что есть область концентраций пенообразователя, карбамидной смолы и хлористого кальция, в которой параметры пены удовлетворяют этому требованию.

Установлено также, что быстроразру-шающиеся пены могут быть получены с использованием карбамидных смол различных марок (табл. 3, рецептуры 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11), других пенообразователей и эмульгатора Е-30 (табл. 4, рецептуры 4, 10, 15) и сульфоната (табл. 5).

При этом для получения быстро-разрушающихся пен требуется в два-три

раза меньше эмульгатора Е-30 в сравнении с сульфанолом при тех же концентрациях карбамидной смолы. Карбамидная смола способствует резкому увеличению пено-образующей способности Е-30. При концентрации Е-30 - 0.5 г/л и концентрации КФ-Ж - 2.5 г/л уже образуется быстро-разрушающаяся пена. Добавка хлористого кальция способствует снижению периода полураспада. Увеличение концентрации КФ-Ж в два раза приводит к стабилизации пены, которая не уменьшается с введением хлористого кальция и увеличением его концентрации в два раза. При концентрации Е-30 - 1 г/л добавка хлористого кальция повышает стабильность пены, хотя период полураспада в обоих случаях уменьшается. При концентрации Е-30 - 1,5 г/л концентрация КФ-Ж - 5 г/л недостаточна для образования быстроразрушающейся пены.

Таблица 3

Параметры разрушаемых пен, полученных с использованием карбамидных

Номер-рецептуры Содержание компонентов, г/л Параметры пены

Суль-фа-нол Карбамидная смола марки СаС1 2 Кратность Период полураспада, с Время истечения 50% пенообра-зующей жидкости, с

КФ-17 КФ-Ж КФ-МТ

1 2,5 - - - - 6,0 2280 420

2 2,5 5,0 - - - 7,0 2700 360

3 2,5 5,0 - - 0,2 4,5 420 330

4 2,5 10,0 - - 0,2 5,0 360 300

5 2,5 5,0 - - 0,2 3,5 240 120

6 2,5 10,0 - - - 11,0 2460 420

7 2,5 10,0 - - 0,2 8,5 960 540

8 2,5 - - - - 9,6 3900 420

9 2,5 - 5,0 - 0,2 4,0 165 150

10 2,5 - 10,0 - 0,2 5,0 900 900

11 2,5 - - 5,0 0,1 6,1 540 510

Таблица 4

Параметры пен, полученных с использованием композиции на основе пенообразователя Е-30

Номер рецептуры Содержание компонентов, г/л Параметры пены

Эмульгатор Е-30 Карбамидная смола КФ-Ж СаСЪ Кратность Период полураспада, с Время истечения 50% пенообразующей жидкости, с

1 0,5 - - Пены нет - -

2 0,5 - 0,2 Пены нет - -

3 0,5 2,5 - 4,0 420 330

4 0,5 2,5 0,2 3,0 240 90

5 0,5 5,0 - 4,5 1200 600

6 0,5 5,0 0,2 3,6 1200 300

7 0,5 5,0 0,4 3,5 1320 210

8 1,0 - - 1,9 - -

9 1,0 - 0,2 1,5 - -

10 1,0 5,0 0,2 4,2 420 210

11 1,5 - - 2,7 4800 150

12 1,5 - 0,2 2,2 4500 60

13 1,5 5,0 0,2 5,5 3000 300

14 1,5 10,0 - 8,0 1500 360

15 1,5 10,0 0,2 7,0 720 150

Таблица 5

Параметры пен, полученных с использованием композиции на основе сульфоната

Содержание компонентов, г/л Параметры пены

Сульфонат Карбамидная СаС12 Крат- Период полу- Время истечения 50% пенооб-

смола КФ-Ж ность распада, с разующей жидкости, с

0,8 1,6 0,07 2,3 540 30

1,6 3,2 0,14 3,3 240 50

2,4 4,8 0,21 3,5 180 60

3,2 6,4 0,28 4,2 330 180

Необходимо увеличение содержания смолы и введение хлористого кальция.

Как избыток, так и недостаток карба-мидной смолы приводят к повышению стабильности пен, и в этом случае введение хлористого кальция или не влияет на период полураспада, или увеличивает его.

Технологические параметры пен, полученных из композиции, в состав которой входит сульфонат, аналогичны технологическим параметрам пен, полученных из композиции на основе сульфанола.

Исследования показали, что при получении быстроразрушающихся пен должно соблюдаться строгое соотношение ком-

понентов, что практически трудно сделать в условиях буровой. Проблема решается путем приготовления композиции, содержащей все три компонента в оптимальном соотношении. Разработано два состава таких композиций (табл. 6).

В связи с меньшим расходом карбо-мидоформальдегидной смолы (наиболее дорогостоящая часть композиции) и большей доступностью сульфанола предпочтение отдано первой композиции.

Пенообразующий состав включает в себя сульфонол, карбамидную смолу КФ-МТ, хлористый кальций и воду при слеую-щем соотношении компонентов (табл. 7).

Таблица 6 Оптимальный состав композиций

Компоненты пенообразователя Композиции

Первая Вторая

Сульфанол (сульфонат) 27.9-39.3

Хлористый кальций 2.3-1.9

Карбамидоформальде-гидная смола 69.8-58.8 78.185.5

Эмульгатор Е-30 15.612.8

Таблица 7

Пенообразующий состав с регулируемыми сроками разрушения пены

Компоненты пено- Соотношение ком-

образователя понентов, кг/м3

Сульфанол 2,5-5,0

Карбамидная смола КФ-МТ 4,0-13,0

Хлористый кальций 0,08-0.5

Вода « остальное»

Состав имеет хорошую пенообразую-щую способностью, образует высокоструктурированные пены, обладающие как вязким течением, так и упругим восстановлением формы при напряжениях, не превышающих предел текучести. Устойчивость пены зависит от соотношения компонентов. Лабораторные исследования устойчивости пены показали ее зависимость от концентрации смолы при постоянной концентра-

Изменение параметров разрушения пены в

смолы

ции сульфанола и хлористого кальция (табл. 8). 3

При концентрации смолы 1,1 кг/м3, как и при её отсутствии, происходит резкое отставание скорости разрушения пены от скорости истечения пенообразующей жидкости из неё, что и наблюдается обычно при бурении скважин, когда вокруг бурового здания скапливается большое количество пены, а из-под него бегут ручьи выделившейся пенообразующей жидкости. При концентрации смолы 4,2 кг/м3 и выше процессы разрушения пены и истечения пенообраз-ующей жидкости синхронны, причем время истечения пенообразующей жидкости для рецептур 1-4 практически равно.

Приведенные в табл. 8 данные не предельны. При тщательном подборе соотношения компонентов возможно получение пен с большей скоростью разрушения.

В проектировании состава пенообра-зующего раствора решающим является выбор пенообразователя. Наиболее предпочтительны пенообразователи неионогенного и анионактивного типов. Общим недостатком катионных ПАВ применительно к бурению являются их токсичность, низкая би-оразлагаемость, дефицитность и высокая стоимость. Для приготовления пенных промывочных систем наиболее приемлемы не-ионогенные оксиэтилированные ПАВ типа оксиэтилированных спиртов, алканола-мидов, алкилфенолов, а также анионактив-ные ПАВ типа сульфатов или сульфонатов.

Таблица 8

зависимости от концентрации карбамидной КФ-МТ

Номер ре- цеп- туры Соотношение компонентов Кратность К Время разрушения пены, мин Время истечения пенообра-зующей жидкости, мин

Сульфанол, кг/м3 Хлористый кальций, кг/м3 Карбамид-ная смола КФ-МТ, кг/м3

25% 50% 80% 25% 50% 80%

1 2,5 0,1 1,1 7,2 35 52,5 71 5 7 11

2 2,5 0,1 4,2 6,4 8,5 12 16 6,5 9,5 15

3 2,5 0,1 5,6 6,3 6 8,5 13 6,5 8,5 12

4 2,5 0,1 6,7 6,1 6 9 15 6 8,5 12

5 2,5 0,1 22,4 6,6 - 39 57 24 39 55

При экспериментальном бурении в Таежной ГРП на скважине №1067 (буровой агрегат № 21) для образования пены использовалось дожимное устройство. Расход пенообразующего состава - 13 л/мин, расход воздуха - 500 л/мин. Интервал 1,0-27,5 м бурился твердосплавными и алмазными коронками диаметрами 161 мм (1,0—1,5 м), .132 мм (1,5-3,2), 112 мм (3,2-27,5м) с использованием пенообразующего состава, включающего (кг/м3): сульфанол 3-5; кар-бамидную смолу КФ-МТ - 10, хлористый кальций - 0,2.-

Средний выход керна в интервале 1,0-7,2 м составил 48%, в интервале 7,218,2 м - 80%, в интервале 18,2-27,5м - 86%. Давление нагнетания при бурении интервала 25,7-27,5 м составляло 0,2-0,6 МПа. Пена во время бурения выходила на поверхность и была насыщена шламом выбуренной породы.

За время бурения на экспериментальном пенообразующем составе в течение трех смен около бурового здания не образовалось скопления пены, что обычно происходит при бурении с применением пен. Радиус растекания пены во время бурения не превышал 0,5-2 м. При отключении ком-прессорно-дожимного устройства (КДУ) пена под буровой разрушалась полностью за период времени от 30 секунд (интервал бурения 1,0-7,2 м) до 10-15 минут далее. Полученные результаты соответствуют табличным данным. На устье скважины пена выходила высокоструктурная. При движении поток пены разламывался на отдельные участки. С поверхности и на границе потока происходило интенсивное схлапывание пузырьков. В процессе бурения скопления шлама на забое не наблюдалось.

Интервал 27,5-40,9 м бурился диаметром 93 мм с использованием пенообразую-щего состава, включающего (кг/м3): сульфа-онол - 3; санфлок - 0,07 (Япония).

Пена, изливавшаяся на устье скважины в течение 11 мин, не разрушилась за 90 мин наблюдения при остановке бурения. В дальнейшем происходило постепенное накопление пены.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

- пена, полученная из предложенного состава, обладает хорошей прокачивае-мостью в линии обвязки буровой скважины;

- в состоянии покоя пена быстро разрушается;

- пена хорошо выносит шлам выбуренной породы;

- при бурении с экспериментальным пенообразующим составом отпадает необходимость принудительного гашения пены;

- отмечен результат, когда пена разрушалась полностью за 30 секунд.

Библиографический список

1. Заливин В.Г. Анализ теоретических представлений о механизме устойчивости пен, применяемых в процессе бурения и сооружения скважин. // Вестник ИрГТУ. 2007. № 1, т.1. С. 7985.

2. Заливин В.Г., Сапожников Ю.М. Влияние солей металлов на технологические параметры стабилизированных карбамидной смолой пен // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. №2 (39). С. 177-188.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета А.И. Ламбин