CC BY
14
Техника и технологии геологической разведки
УДК 622.276.6
ВЛИЯНИЕ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ КАРБАМИДНОЙ СМОЛОЙ ПЕН
1 2 В.Г.Заливин , Ю.М.Сапожников
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведёнными исследованиями изучено влияние солей металлов на технологические параметры стабилизированных карбамидной смолой пен, что позволяет разработать и применить метод бурения и вскрытия продуктивных пластов с использованием пены с регулируемыми сроками разрушения. Основным недостатком применения структурированных пен в технологическом режиме промывки является их высокая стабильность, что не позволяет осуществить замкнутую циркуляцию очистного агента. Ил. 6. Табл. 8. Библиогр. 3 назв. Ключевые слова: пена; соли металлов.
INFLUENCE OF METAL SALTS ON TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF FOAMS STABILIZED BY CARBAMIDE RESIN
V.G.Zalivin, Yu.M.Sapozhnikov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The conducted studies determined the influence of salts of metals on technological parameters of the foams stabilized by carbamide resin. It allows to develop and apply the method of drilling and opening of productive layers with the use of foams with adjustable periods of destruction. The main disadvantage of the use of structured foams in the technological mode of washing is their high stability that prevents a closed circulation of the cleaning agent.
6 figures. 8 tables. 3 sources. Key words: foam; salt of metals.
В [2] дано обоснование метода бурения и вскрытия продуктивных пластов с использованием пены с регулируемыми сроками разрушения. Основным недостатком применения пен в технологическом режиме промывки является их высокая стабильность, что не позволяет осуществить замкнутую циркуляцию очистного агента.
Как следует из приведенного анализа теоретических представлений о механизме устойчивости пен, основой пен с регулируемыми сроками разрушения могут служить стабилизированные
пены, каркас которых образован с участием карбамидного олигомера. Введение в этот каркас определенного катиона будет способствовать структурообра-зованию по типу «решетки», в которой катионы играют роль катионов агрегации. Локальные деформации, возникающие вследствие разницы между поверхностным натяжением в агрегатах и промежутках между ними приведут к разрыву пленки. Очевидно, если действует такой механизм, то время жизни пены будет зависеть от вида катиона и содержания его в растворе.
:Заливин Владимир Григорьевич - кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952)405278, 89041402749. Zalivin Vladimir - Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: (3952)405278, 89041402749. 2Сапожников Юрий Маркович - кандидат химических наук, доцент, тел.: (3952) 405278, 89149063555. Sapozhnikov Yury - Candidate of Chemistry, Associate Professor, tel.: (3952)405278, 89149063555.
Такие данные в литературе отсутствуют, в связи с чем и были проведены исследования.
Как было показано, прочность и продолжительность существования пены зависят от свойств пленочного каркаса, в свою очередь, определяющегося природой и количеством присутствующего в системе поверхностно активного вещества (ПАВ). Для обеспечения устойчивости пенных плёнок должно происходить мощное структурообразо-вание с возникновением агрегатов. Количество и величина агрегатов будут зависеть от концентрации электролита. В результате возникновения разницы между поверхностным натяжением в агрегатах и промежутках между ними плёнка будет находиться в напряженном состоянии и локальные деформации приведут к ее разрыву. При разработке композиции для получения пен с регулируемыми сроками разрушения в состав её, кроме пенообразователя, должны входить стабилизатор и электролит, катион которого может быть центром агрегации молекул компонентов композиции при переходе её в состояние покоя. При этом должна существовать зависимость времени жизни пены от концентрации электролита.Из анализа литературных данных по стабилизаторам пен, следует, что в качестве таких веществ могут быть использованы карба-мидные олигомеры. Они представляют собой не что иное, как полипептиды, хотя и не включают в себя аминокислотные остатки. Электролиты, например, хлористый кальций, в пенообразу-ющем составе с использованием карба-мидных смол можно рассматривать как возможный компонент регулирования срока жизни пены.
Сделанный теоретический анализ позволяет выбрать направление исследований - изучение влияния солей металлов на технологические параметры стабилизированных карбамидной смолой пен и разработка на этой основе состава композиции для получения пены с
регулируемыми сроками разрушения.
Основными параметрами для изучения пен при решении поставленной в работе задачи являются кратность и стабильность пен. Лабораторных методик по получению и исследованию пен известно множество, но наиболее простой и приемлемой к условиям бурения является методика, предложенная В.А.Амияном и др. [1]. Эта методика с некоторыми изменениями взята за основу. Она заключается в следующем: в стакан смесителя «Воронеж-2» помещают 50 (100) см3 пенообразующего раствора и вспенивают его в течение 5 минут. Первые 3 минуты стакан находится в закрепленном состоянии, а крыльчатка погружена в жидкость; для раздробления (диспергирования) крупных пузырьков последующие 2 минуты, не прекращая, вращение, стакан с пеной вручную периодически перемещают вверх и вниз. После прекращения вспенивания пену переносят в мерный цилиндр на 1000 см и определяют её кратность, время истечения 50% пено-образующей жидкости и время разрушения 50% пены.
В качестве характеристики устойчивости пен взят период полураспада. Исследования показали, что разрушение пены идет аналогично радиоактивному распаду ядер [3]. В данной работе изучалась динамика образования и разрушения монослоя пены на свободной поверхности пенообразующего раствора с помощью киносъемки. Монослой пены получали при продувке воздуха через капилляр. По отснятой и обработанной кинопленке подсчитывали число пузырьков на поверхности через определенные интервалы времени после прекращения подачи воздуха. Результаты работы показали, что число распадающихся за единицу времени пузырьков монодисперсной пены пропорционально наличному числу пузырьков. Таким образом, между числом пузырьков в монослое пены в начале периода вре-
мени 1 существует следующая зависимость:
Кг=К0еР1,
где N - начальное количество пузырьков; К! - число пузырьков, оставшихся после истечения промежутка времени 1; Р - вероятность разрушения пузырька (константа распада).
Полученное уравнение аналогично уравнению Белоглазова, описывающему радиоактивный распад ядер. В соответствии с этим монодисперсные пены можно характеризовать периодом полураспада.
Для выявления характера процесса разрушения полидисперсных пен, полученных воздушно-механическим способом и не в монослое, а в объеме, проведен следующий эксперимент. Готовили различные объемы пены с примерно одинаковыми параметрами, вспенивали их и определяли кратность и период полураспада. Результаты приведены в табл.1, из которой следует, что при равной кратности период полураспада различных объемов пен одинаков. Некоторые незначительные расхождения гово-
рят о несовершенстве метода. Таким образом, полидисперсная пена в объеме разрушается по тому же закону, что и монодисперсная в монослое.
Период полураспада является наиболее информативным показателем, так как не зависит от начального объема пены.
Изучено влияние катионов I, II и III групп периодической системы элементов на технологические параметры стабилизированной пены, полученной из композиции сульфанол-карбамидная смола. Экспериментально найдено оптимальное соотношение компонентов в композиции (массовое отношение суль-фанол:смола КФ-Ж = 1:2,5) и содержание ее 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.
Результаты исследований представлены в табл. 2-7 и на рис. 1-6.
Таблица 1
Характер процесса разрушения полидисперсных пен
Объем пенообра-зующей жидкости, см3 Объем пены, см3 Кратность Период полураспада пены е
50 370 7,4 350
75 570 7,6 335
100 750 7,5 335
125 940 7,5 325
Таблица 2
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на кратность пены
С, г/л Кратность пены в зависимости от концентрации солей К
С2Б04 NiCl2 CaCl2 AICI3 MgCl2 BaCl2 NaCl KCl
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0,05 5,7 6,3 8,3 8,7 8,85 9 9 9,2
0,1 4,8 5,2 7,6 7,9 8,6 8,85 8,95 9,15
0,15 4,35 4,7 7,3 7,1 8,3 8,6 8,8 9,05
0,2 4,9 4,45 6,9 6,2 8 8,3 8,7 9
0,25 3,7 4,2 6,7 5,4 7,8 8,1 8,6 8,95
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0,3 3,55 3,9 6,35 4,85 7,45 7,9 8,55 8,85
0,35 3,5 3,7 6 4,65 7,25 7,7 8,45 8,8
0,4 3,49 3,4 5,8 4,4 6,9 7,5 8,3 8,75
0,45 3,3 3,1 5,5 4,2 6,8 7,25 8,2 8,6
0,5 3 2,9 5,25 4 6,7 7,1 8,1 8,5
9
* 8
3* 7 I
О С Л
с
о х
I-
га а
0,05
ОД
0,15
0,4
0,45
0,5
0,2 0,25 0,3 0,35
Концентрация катиона, С г/л
1(-*-)-КС1 ; 2Н-)-\аС1; 3(-9-)-ВаСЬ; 4(-Ч-МцСЬ; 5(-*-)-СаСЬ; 6(^)-А1С1з;'(-М-Си804; Рис. 1. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на кратность пены
Таблица 3
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на кратность пены
С, Кратность пены в зависимости от концентрации солей К
г/л СаС12 Л1С1э MgCl2 ВаС12 ШС1 КС1
0,5 5 4,2 6,7 7 8,2 8,5
1,5 3,4 4,25 6,3 2,6 8,2 8,4
2,5 2,5 4,25 6,1 1,8 8,2 8,3
3,5 4,25 5,8 8,2 8,2
4,5 4,25 5,7 8,1 8
5,5 4,25 5,6 8 7,8
6,5 4,25 5,5 8 7,7
7,5 4,25 5,4 8 7,6
8,5 4,25 5,3 8 7,5
9,5 4,25 5,2 7,9 7,4
10,5 4,25 5,1 7,9 7,3
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5
Концентракция катиона, С г/л
1(^аС1;2Ы-КС1;3(^)-М§С12;4(^)-А1С1з;5Ы-СаС12;6(^-)-ВаСЬ
Рис. 2. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на
кратность пены
Таблица 4
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на время
_истечения 50% пенообразующей жидкости из пены_
С, Время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены 1, с
г/л СиБ04 №СЬ СаС12 Л1С1э М§СЬ ВаС12 КаС1 КС1
0,05 473 430 335 407 360 340 385 385
0,1 400 380 350 460 420 340 340 320
0,15 348 310 378 495 330 340 340 310
0,2 290 250 425 400 320 340 340 310
0,25 230 210 475 310 320 348 340 310
0,3 185 175 480 240 320 370 340 310
0,35 150 155 440 200 320 395 340 310
0,4 115 125 363 175 320 440 340 310
0,45 100 100 300 160 320 475 340 310
0,5 60 75 238 140 320 515 340 310
0,05 0,1 ОД5 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Концентрация катиона, С г/л
1(-+-)-ВаСк; 2(-*>ШС1; 3(^)-М§С1; 4(-»-)-КС1; 5^-СаСЬ; б£е>А1С1з; 7(+-)-КаСк; 8(-+-)-Си804 Рис. 3. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены
Таблица 5
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на время истечения __50% пенообразующей жидкости из пены_
С, г/л Время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены 1;, с
СаС12 Л1С1э М§СЬ ВаС12 ШС1 КС1
0,5 250 175 387 550 370 340
1,5 60 50 310 5 350 330
2,5 5 45 270 5 345 325
3,5 50 247 340 320
4,5 65 225 325 315
5,5 80 210 310 310
6,5 90 200 300 305
7,5 105 190 295 300
8,5 115 188 285 295
9,5 120 200 280 290
10,5 130 195 275 285
!
;
I l(-"-)-BaCh;)-MgCl2;3(-0-)-NaCl;->(^)-KCl ;5(-*-)-CaCh;6(-*-)-AlCl3
—
Рис. 4. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены
Таблица 6
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на период
полураспада пен
С, Период полураспада пен Т, с
г/л СиБ04 NiCl2 CaCl2 AICI3 MgCl2 BaCl2 NaCl KCl
0,05 1500 3240 2300 1620 3000 2040 2200 1150
0,1 1440 3300 2100 1500 3320 1800 2050 1600
0,15 1350 2790 1950 1350 3480 1620 1950 1800
0,2 1230 1460 1450 1200 3590 1460 1830 1900
0,25 1170 1230 1200 1080 3600 1290 1750 1920
0,3 990 1200 900 930 3600 1200 1720 1930
0,35 900 1110 650 840 3600 1170 1700 1935
0,4 840 930 410 780 3600 1110 1680 1940
0,45 780 870 320 690 3600 960 1660 1950
0,5 680 750 320 540 3600 900 1640 1960
0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Концентрация катиона, С г/л
1(-*-)-М8С12; 2(-н-)-КС1; 3(-0-)-ИаС1; 4(^>ВаСЬ; 5(^аС12.;6(-*-)-Си804;7(^)-А1С13; 8(эе-)-СаСЬ
Рис. 5. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на период полураспада пен
Таблица 7
Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на период полураспада пен
С, Период полураспада пен Т, с
г/л СаС12 Л1С1э М§СЬ ВаС12 ШС1 КС1
0,5 300 1100 8700 950 1900 1150
1,5 200 800 2920 70 1320 1400
2,5 100 700 2600 70 1290 1350
3,5 700 2400 1300 1400
4,5 730 2300 1350 1500
5,5 800 2250 1430 1650
6,5 900 2220 1570 1900
7,5 1000 2200 1650 2000
8,5 1100 2150 1600 2200
9,5 1300 2100 1900 2400
10,5 1670 2080 2000 2600
1 (-*-)-KCl; 2(—)-MgCh;3(-6-)-NaCl;4(-5-)-А1С1з; 5W-CaCh;6(^)-BaCh
Рис. 6. Характер влияния солей одно-, двух- и трёхвалентных катионов на период полураспада пен
Катионы первой группы (натрий и калий) практически не изменяют кратность пены и время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены. Для них обнаружено две области концентраций - 0,01-0,1 и 0,5-2,0 г/л, в которых наблюдается некоторое уменьшение периода полураспада пены (для катиона калия более существенное - в два раза при содержании соли в растворе 0,020,05 г/л). Из этого следует, что катионы первой группы не являются эффективными регуляторами технологических параметров пен.
Катионы второй группы понижают кратность пен существенно - в 2-6 раз. По эффекту действия на кратность пены они располагаются в ряд: Ва2+>Ca2+>Ni2+~Cu2+>Mg2+.
В области малых концентраций обнаружен эффект некоторого повышения времени истечения 50% пенообра-
зующей жидкости из пены под влиянием катионов кальция, никеля, меди, после которого этот параметр уменьшается. Наименее существенно влияние катионов магния. Для всех исследований катионов второй группы, кроме магния, имеется область концентраций, в которой период полураспада пены снижается, наиболее эффективно действуют катионы бария и кальция. По степени снижения периода полураспада катионы второй группы располагаются в аналогичный приведенному выше ряд: Ва2+>Ca2+>Ni2+~Cu2+>Mg2+.
Трехвалентный катион алюминия уменьшает в 2 раза кратность пены, в 7 раз время истечения 50% пенообразую-щей жидкости и в 3 раза снижает период полураспада.
Анализ графического и табличного материалов позволяет составить следу-
ющии ряд катионов как регуляторов времени разрушения пены:
Ва2+>Са2+>№2+~Си2+>Л1з+>К+~Ка +>М§2+.
Итак, исследованиями установлено, что наиболее эффективными регуляторами времени разрушения пены являются катионы бария и кальция. Очевидно, при введении в неё пенообразу-ющей жидкости происходят кардинальные изменения в структуре пены и в коллоидных свойствах пенообразующей жидкости (табл. 8). При увеличении содержания хлоридов кальция и бария визуально наблюдается структурирование пены вплоть до творогоподобной быст-роразрушающейся массы с быстрым истечением жидкости. Это сопровождается вначале ростом времени истечения 50% пенообразующей жидкости из пен до определенной критической концентрации, после чего происходит резкое его падение до величин многократно ниже первоначальных вследствие лавинообразного разрушения пены. То что в определенной области концентраций падение стабильности пен приводит к
росту времени истечения пенообразую-щих жидкостей из этих пен, говорит о том, что процесс истечения межплёночных жидкостей затруднен вследствие структурных изменений в сторону увеличения показателей как в пенообразу-ющих жидкостях, так и в пленках.
Эти процессы рассматривались в статике. При больших скоростях деформации, будь то смеситель или скважина, пены данного типа сохраняют стабильность. При истечении межплёночной жидкости из пены в состоянии покоя происходит утоньшение пленок пузырьков и, видимо, при достижении определенной толщины пленки становятся очень жесткими, можно сказать "хрупкими", причем толщина хрупких плёнок гораздо больше, чем толщина пленок стабильных пен, при которой происходит схлопывание пузырьков. При определенном соотношении компонентов пена начинает интенсивно разрушаться по всему объему сразу же после прекращения вспенивания, т.е. полученная пена в момент прекращения деформации имеет ту
Таблица 8
Изменение технологических параметров пены под влиянием солей одно-, -двух
Содержание в растворе, г/л Параметры пены
№С1 КС1 МяСЬ СаС12 ВаС12 №С12 Си8 04 Л1С1э Период полураспада, с Кратность Время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены, с
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
- - - - - - - - 2400 9,4 360
3,0 5,0 1500 8,4-8,3 330-300
- 0,010,05 - - - - - - 1200 8,6 360
- 1,0-3,0 - - - - - - 1500 8,4-7,8 330-250
- - 10,030,0 - - - - - 2100 4,9-5,2 225
- - - 1,03,0 - - - - 240-15 3,5-2,0 130-5
- - - - 0,83,0 - - - 600-3 6,8-1,5 480-2
- - - - - 0,03-0,07 - - 1500-1000 6,6-5,5 380-360
Окончание табл. 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
- - - - - 0,15-0,50 - - 1000-600 3,7-2,9 200-100
- - - - - - 0,20,5 - 980-570 3,9-3,0 340-100
- - - - - - - 0,55,0 1100-800 4,1-3,8 180-80
критическую толщину пленок, при которой она разрушается, причем критическая величина толщины пленок зависит от соотношения компонентов в составе, и прежде всего, хлоридов кальция и бария.
Библиографический список
1. Применение пенных систем в нефтегазодобыче / В.А.Амиян [и
др.]. М.: Недра, 1987. 229 с.
2. Заливин В.Г. Анализ теоретических представлений о механизме устойчивости пен, применяемых в процессе бурения и сооружения скважин // Вестник ИрГТУ. 2007. №1, т. 1. С. 79-85.
3. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия, 1983. 264 с.
Рецензент: кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета П.С.Пушмин
