 |
Определение концентрации эмульсии
|
|
|
|
Определить концентрацию эмульсии в производственных условиях можно методом измерения затрат мощности. Это позволяет опытным путем установить затраты мощности при бурении с эмульсией рабочей концентрации для каждого интервала глубины скважины при оптимальных параметрах режима бурения. Постоянное наблюдение за изменением этих затрат и, соответственно, за изменением концентрации эмульсии дает возможность своевременно добавлять концентрат в зумпф. Контроль за концентрацией применяемой эмульсии рекомендуется проводить при отклонении стрелки прибора измерения затрат мощности (или амперметра) в интервале значений: от положения, соответствующего затратам мощности при бурении со свежеприготовленной эмульсией до положения, соответствующего затратам мощности при бурении с водой.
В зависимости от установленной фактической концентрации эмульсии следует делать добавки концентрата до получения рабочей концентрации эмульсии (табл.).
В табл. приводятся данные для расчета добавок эмульсии 20 и
40 %-ной концентрации.
Метод определения концентрации эмульсии путем оценки содержания масла заключается в разложении определенного объема эмульсии до отделения масляной фазы и последующем определении ее количества. Перед использованием эмульсии необходимо установить содержание масла в ее свежеприготовленных пробах объемом 100 мл различной концентрации – от 0,5 до 5 масс.% и построить тарировочный график (рис.). Разложение эмульсии достигается разрушением эмульгатора. Эмульсии с анионактивными эмульгаторами разлагают концентрированным раствором хлористого кальция или деэмульгатором. Концентрированный раствор хлористого кальция доливается к 100 мл пробы эмульсии в мерной термостойкой колбе объемом 200 мл с узким удлиненным горлышком, градуированным до 0,1 мл. Смесь подогревается на электроплитке или в водяной бане до расслоения и отделения масла. После остывания к пробе доливают воду до верхнего деления на горлышке колбы. Отделившееся количество масла измеряют с точностью до 0,1 мл и определяют по тарировочному графику (см. рис.) концентрацию применяемой эмульсии.
|
|
|
Для разложения эмульсий используется также деэмульгатор неионогенного типа – дисолван, 25-30 мл 1 % -ного раствора дисолвана наливают в мерную колбу объемом 250 мл, добавляют 100 мл анализируемой эмульсии, энергично встряхивают и добавляют воду до верхнего деления на горлышке колбы. Концентрацию эмульсии определяют так же, как в предыдущем анализе.
Методика оценки концентрации эмульсии с неионогенными эмульгаторами следующая. Пробу объемом 100 мл наливают в термостойкую колбу емкостью не менее 250 мл, засыпают в нее 20 г хлористого натрия (мелкой поваренной соли) и доливают 5 мл легкого (например, веретенного) масла. Смесь нагревают до кипения и кипятят 15 мин. При использовании других добавок типа солярового масла или керосина их добавляют после кипячения смеси во избежание воспламенения или выброса. После остывания смесь переливают в мерный сосуд или колбу с узким, градуированным до 0,1 мл, горлышком. После полного расслоения смеси измеряют отделившейся слой масла. При необходимости можно долить воду до фиксирования слоя между делениями на горлышке колбы. Концентрация эмульсии рассчитывается по формуле:
С = а – в,
где С – количество масла, содержащегося в эмульсии, мл, соответствующее ее концентрации, %(масс.); а – объем отделившегося масла, мл; в – объем введенного легкого масла (5 мл).
10.5. Полимерные промывочные жидкости
10.5.1. Характеристика и области применения
|
|
|
Полимерные промывочные жидкости (ППЖ) представляют собой растворы водорастворимых полимеров: полиакрилонитрила (гипана, паст К-4, К-9), полиакриламида (ПАА), карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), сополимера М-14. Промывочные жидкости, включающие только полимер, называются полимерными растворами (ПР), а содержащие в своем составе глину (бентонит) – полимер-бентонитовыми (ПБР) или малоглинистыми (МГР).
Характерные особенности ППЖ (повышенная вязкость при малых концентрациях, способность образовывать прочные изолирующие пленки на поверхностях стенок скважин и бурильных труб, а также взаимодействовать с частицами глин и гидролизовываться в активных средах с получением новых свойств) предопределили возможность применения их в качестве промывочных жидкостей. Полимерные промывочные жидкости по своим технологическим свойствам существенно превосходят воду и глинистые растворы: они в большей степени повышают устойчивость стенок скважин к взаимодействиям потока жидкости, обеспечивают смазочный эффект и возможность применения скоростных режимов бурения, исключают прихваты бурового снаряда при длительных остановках его вращения, снижают гидродинамическое давление в кольцевом зазоре между поверхностями ствола скважины и бурового снаряда. Это позволяет применять их при бурении на объектах со сложными геологическими условиями.
Наиболее полно свойства полимеров и качества ППЖ отражены в ПАА и промывочных жидкостях на его основе. При геологоразведочном бурении используются промывочные жидкости с негидролизованным и гидролизованным ПАА; области их применения следующие:
промывочные жидкости на основе водного раствора негидролизованного ПАА с добавками щелочей (кальцинированной или каустической соды, фосфатов натрия, жидкого стекла) рекомендуется применять при скоростном бурении в толщах монолитных или незначительно трещиноватых устойчивых горных пород, не содержащих глин;
промывочные жидкости на основе водного раствора гидролизованного ПАА с добавками (и без них) щелочей, а также смазочных добавок (смесей жировых гудронов, гудронов растительных масел, графитового порошка) целесообразно применять при бурении толщ горных пород среднеустойчивых, трещиноватых, включающих глинистые разновидности. Эти жидкости оказывают смазывающее действие, уменьшают самозаклинивание керна и позволяют использовать скоростные режимы бурения;
|
|
|
ПБР с негидролизованным ПАА и бентонитовыми глинопорошками или качественной природной глиной можно применять при скоростном бурении в разрезах более сложных, чем описанные выше; основным препятствием к широкому использованию этих легко приготавляемых промывочных жидкостей является ограниченная, избирательная совместимость негидролизованного ПАА с глинопорошком или природными глинами. Поэтому при наличии в пересекаемых скважиной толщах горных пород глин или глиносодержащих разностей раствор может коагулировать;
ПБР с гидролизованным ПАА и бентонитовыми глинопорошками или качественной природной глиной рекомендуется при бурении в толщах трещиноватых, средне- и слабоустойчивых горных пород, включающих глиносодержащие разновидности, а также в тектонических зонах. Благодаря тиксотропным свойствам эти жидкости успешно работают при скоростном алмазном бурении скважин малого диаметра и обеспечивают их эффективную очистку.
Для конкретных геолого-гидрохимических условий бурения на объектах необходимо разрабатывать и опытным путем подбирать оптимальные рецептурные варианты перечисленных промывочных жидкостей. Выбор рецептур рекомендуется проводить с учетом факторов, изложенных выше для ЭПЖ. Особое внимание следует уделять жесткости и минерализации вод, которые используются для приготовления промывочных жидкостей и в среде которых промывочным растворам предстоит работать. Растворы негидролизованного и гидролизованного ПАА образуются и устойчиво работают при общей жесткости воды до 26 мг-экв/л и при общей минерализации до 3000 мг/л. Для уменьшения разрушающего влияния жесткости воды на раствор ПАА в состав промывочной жидкости вводят добавки щелочей.
Качество ППЖ может снижаться за счет деструкции полимеров при значительных гидродинамических нагрузках, возникающих в кольцевом зазоре между поверхностями ствола скважины и колонны бурильных труб при высоких (свыше 1000 об/мин) частотах ее вращения.
|
|
|
Полимерные и полимер-бентонитовые промывочные жидкости успешно применяются при бурении снарядами ССК-76, ССК-59; они эффективно работают и со снарядами обычных конструкций диаметром 76, 59 и 46 мм; со снарядами
ССК-46, учитывая уменьшенные размеры кольцевого зазора и повышенные в связи с этим гидродинамические давления потока, рекомендуется использовать только ППЖ.
10.5.2. Приготовление полимерных промывочных жидкостей
В период, предшествующий применению ППЖ на объекте, необходимо: определить химический состав, уровни жесткости и минерализации вод источников водоснабжения, а также вод из наиболее глубоких скважин; оценить поведение и агрегативную устойчивость проб основных разновидностей горных пород в среде проектируемых промывочных жидкостей; выбрать наиболее эффективные рецептуры жидкостей и провести с ними опытное бурение скважин в конкретных разрезах; откорректировать рецептуры и отработать технологическую схему их приготовления; выбрать, установить и опробовать оборудование для осуществления наиболее рациональной схемы получения необходимых количеств промывочных жидкостей.
Технологическая схема приготовления ППЖ включает в себя следующие операции: набухание полимера, его растворение с получением концентрированного раствора; разбавление концентрированного раствора до требуемой рабочей концентрации промывочной жидкости. При необходимости растворение полимера может совмещаться с его гидролизом. Полимеры ряда полиакрилонитрила поставляются в виде концентрированных растворов (гипан), паст (К-4, К-9), порошка (сополимер М-14), сравнительно легкорастворимых в воде при продолжительном перемешивании, например, в глиномешалке любого типа. Полиакриламид поставляется в виде гранул с содержанием основного продукта (полимера) 40-60 % (ОСТ 95-284-74) в бумажных мешках по 25 кг или в виде желе с содержанием основного продукта 6-8 % в полиэтиленовых мешках или деревянных бочках
по 50-100 кг (ТУ 14-6-121-75 и ТУ 6-01-1049-76). Для приготовления промывочных жидкостей используют также технологические сорта полиакриламида ПД-4, ПД-5, с содержанием основного продукта до 4 %.
Набухание полимера является обязательной химической стадией, предшествующей его растворению. Предварительное набухание гранулированного ПАА производится для существенного облегчения и ускорения его растворения. Оно может проводиться и для желированных разностей. Для набухания расчетное количество гранулированного полиакриламида загружается в емкость, заливается водой и выдерживается в ней 15-17 ч. Процесс набухания существенно интенсифицируется с повышением температуры воды. При температуре 60-70 0С набухание завершается в течение 2-3 ч; ПАА увеличивается в объеме и размягчается до желеобразного состояния.
|
|
|
Растворение предварительно набухшего гранулированного или технического желированного ПАА осуществляется путем его интенсивного перемешивания с водой в скоростных мешалках, глиномешалках любого типа, во фрезерно-струйных мельницах (ФСМ). Длительность процесса растворения сокращается с уменьшением консистенции растворяемого ПАА и его концентрации, с повышением температуры смеси; ее можно также уменьшить при рационально выбранном смесителе (увеличением объема рабочего бака и повышенной частотой вращения перемешивающего устройства).
Для упрощения расчетов концентраций приготовленного раствора загрузку гранулированного ПАА следует делать порциями, отмеренными по массе, а технического желированного – в объеме, содержащемся в единичной заводской упаковке (мешке, бочке). Перед загрузкой полимера воду в смесителе рекомендуется умягчить в соответствии с данными табл.10.13 и подогревать до 50-70 0С.
Концентрация приготовленного раствора ограничивается его текучестью, т.е. возможностью перекачивания насосом. Рациональный уровень концентрации ПАА в растворе не должен превышать 3 %. Ориентировочная продолжительность приготовления 1,5-3 %-ного раствора из неподготовленного гранулированного ПАА в скоростных мешалках, а также в установке ППР составляет 2-3 ч, а из желированного – 15-25 мин. Приготовление раствора желированного ПАА такой же концентрации в глиномешалке более длительно – до 1-2 ч. Предельная условная вязкость раствора ПАА по прибору ВП-5 не должна превышать 21-22 мин при температуре 24±2 0С. Содержание полимера С1, вес.%, в приготовляемом растворе определяется по формуле
C1 = C2P/Q,
где С2 – концентрация чистого полимера в товарном продукте, вес.%; Р – масса товарного продукта (полимера), загружаемого в смеситель, кг; Q – масса приготавливаемого концентрированного раствора, кг.
Масса товарного полимера Р1, необходимая для получения раствора заданной концентрации С1, подсчитывается по формуле
Р1 = (C2 /С2) Q,
Процесс растворения ПАА завершается по получении прозрачного однородного без сгустков желе, концентрированного раствора, который перекачивается в емкость с градуированным водомерным устройством для дозированного расходования на приготовление рабочих промывочных жидкостей. Во избежание ухудшения качества концентрированного раствора, хранить его рекомендуется не более 7-8 сут.
Гидролиз полимера предпринимается для повышения его активности при изготовлении промывочных жидкостей с требуемыми свойствами, особенно при введении в их рецептуры глинопорошков или глин. Полиакриламид гидролизуется при энергичном перемешивании с горячим (90-95 0С) раствором каустической соды. Продолжительность гидролиза в установке ППР не менее 3 ч. При пониженной температуре реакция протекает с более длительно, а степень гидролиза уменьшается. Едкий натрий можно вводить в смеситель как в процессе растворения набухающего гранулированного или желированного ПАА, так и после его завершения. Технический ПАА рекомендуется гидролизовать при концентрации полимера 1 %.
Количество едкого натра, необходимое для качественного гидролиза, составляет 60-120 % от содержания полимера в ПАА. Согласно методическим рекомендациям ВИТР, количество технического едкого натра Р2, кг, для гидролиза ПАА вычисляется по формуле
P2 = (k/n) C1Q,
где С1 – концентрация полимера в растворе, вес.% (рекомендуется 1 вес.%);
Q – общая масса гидролизуемого полимерного раствора, кг; k – отношение количества едкого натра к количеству полимера в ПАА (k = 0,6-1,2);
n – коэффициент, зависящий от качества едкого натра (численно равен процентному содержанию едкого натра в техническом продукте).
Расчетное количество едкого натра марки ТХ-1, необходимое для гидролиза
1 м3 1 %-ного раствора желированного ПАА, вставляет 10,3 кг, а едкого натра марки РД-2 – 16,9 кг. Контроль качества гидролиза осуществляется по истечении 3 ч путем ежечасного отбора проб гидролизованного ПАА (0,1-0,2 л) и проверки их совмещения с глинистым раствором. По получении однородной смеси перемешивание прекращается. При качественном гидролизе 1,5-3 %-ный глинистый раствор с введенными в него 0,2-0,3 % гидролизованного ПАА имеет нулевой суточный отстой и водоотдачу 3-9 см3 за 30 мин. Качественный ПБР с гидролизованным ПАА сохраняет параметры суточного отстоя и водоотдачи при многократном (4-5 кратном) разбавлении водой.
Полученный гидролизованный ПАА сливается в емкости и используется для приготовления его водных растворов или ПБР, а также МГР.
Промывочные жидкости – водные растворы негидролизованного ПАА готовятся как разбавлением концентрированных растворов полимера до требуемой концентрации, так и растворением товарного ПАА по изложенной выше технологии. Содержание полимера в рабочей промывочной жидкости составляет 0,1-0,5 %.
Масса полимера, необходимого для получения промывочной жидкости с заданной концентрацией ПАА, определяется по формуле
Q1 = QC3/C1,
где Q1 – необходимая масса концентрированного полимерного раствора, кг;
С1 – содержание полимера в концентрированном растворе, вес.%; С3 – заданная концентрация полимера в приготовленном полимерном растворе, вес.%; Q – масса приготавливаемого полимерного раствора, кг.
В связи с тем, что плотность раствора ПАА равна примерно 1 г/см3, объем раствора принимается численно равным его массе. Разбавление концентрированных растворов можно проводить в смесителях любого типа. Время разбавления растворов не превышает 15-20мин. Для перемешивания раствора в зумпфе может использоваться буровой насос. Жесткую воду, используемую для приготовления раствора, необходимо умягчить.
Промывочные жидкости из гидролизованного ПАА рекомендуется готовить из его 1 %-ного раствора путем разбавления до рабочей концентрации (0,1-0,5 %). Необходимая при этом масса концентрированного раствора гидролизованного ПАА рассчитывается по формуле (1). Технология разбавления растворов из гидролизованного ПАА аналогична описанной для негидролизованного ПАА. При одинаковой концентрации полимера эти растворы более вязки, чем растворы из негидролизованного ПАА, а значения рН промывочной жидкости составляют 10,5-12.
Промывочные ПБР могут быть приготовлены на водном растворе как негидролизованного, так и гидролизованного ПАА с использованием бентонитовых или других гилинопорошков, а также качественных глин, образованных кальцинированной содой (или другими реагентами) или необработанных. Отработку рецептуры жидкости и технологии ее приготовления рекомендуется проводить в малых (3-5 л) объемах до получения стабильного качественного сочетания компонентов с нулевым суточным отстоем и заданными физико-механическими свойствами.
Полимер-бентонитовые промывочные жидкости готовятся либо смешиванием порошка глины или бентонита с водным раствором ПАА рабочей концентрации, либо смешиванием предварительно приготовленного глинистого и полимерного растворов с добавлением воды. Масса глинопорошка Р3, кг, необходимая для получения промывочной жидкости заданной концентрации, вычисляется по формуле
Р3 = 0,01С4Q,
где С4 – заданная концентрация глины (или бентонита) в промывочной жидкости, вес.%; Q – масса приготовляемой жидкости, кг.
Необходимое количество раствора полимера определяют по формуле (1). Продолжительность перемешивания промывочной жидкости устанавливается опытным путем в зависимости от характеристики смесителя, концентрации полимера и глины и составляет от 15 мин до 1 ч.
При использовании для приготовления промывочной жидкости комовой глины из нее готовится глинистый раствор заданной концентрации, который при необходимости обрабатывают кальцинированной содой и вводят в него при перемешивании расчетное количество раствора ПАА; полученную промывочную жидкость вновь тщательно перемешивают и разбавляют до требуемой концентрации.
10.5.3. Правила применения полимерных промывочных жидкостей
Технология применения ПР и ПБР предусматривает правильный их выбор для конкретных условий бурения и оперативную корректировку рецептуры при изменении этих условий (смене горных пород; появлении водопритоков; изменении химического состава воды в скважине). Непрерывно увеличивающееся в процессе бурения содержание твердой фазы в промывочной жидкости вызывает ухудшение ее качества и снижение концентрации полимера из-за адсорбции на поверхностях новообразованного ствола скважины, бурового снаряда, шлама. С накоплением шлама в промывочной жидкости увеличивается ее плотность, уменьшается условная вязкость и смазочная активность, возрастает водоотдача.
Для очистки ППЖ рекомендуются качественно выполненные протяженные циркуляционные системы с объемными отстойниками. Дополнительно можно использовать гидроциклонную установку ОПР конструкции ВИТР. По мере накопления тонкодисперсного шлама в промывочной жидкости ее следует обновлять. При бурении устойчивых толщ можно полностью заменять зашламованную жидкость; в неустойчивых, склонных к обрушению горных породах рекомендуется частичная (15-25 %) замена промывочной жидкости в зумпфе. Рабочая концентрация промывочной жидкости с негидролизованным и гидролизованным ПАА при бурении зон с частичной потерей циркуляции может быть увеличена до 0,5-0,7 %; при значительных поглощениях – до 0,7-1,0 %. В случаях водопритоков повышенной жесткости их влияние на промывочную жидкость следует уменьшать добавками умягчителей в циркуляционную систему согласно
табл..
При пересечении скважиной глинистых горных пород промывочная жидкость с негидролизованным ПАА может коагулировать. В этих условиях целесообразно ее заменить на жидкость с гидролизованным ПАА. При использовании промывочных жидкостей с негидролизованным ПАА колонна бурильных труб может смазываться антивибрационной смазкой КАВС.
Контроль физико-механических свойств ПР и ПБР осуществляется с помощью приборов, входящих в комплект ЛГР-3. Изменения концентрации полимера в промывочной жидкости можно косвенно оценивать по уровню ее смазочной способности методом измерения затрат мощности на бурение. Данные измерений параметров промывочной жидкости должны фиксироваться в буровом журнале и в акте учета на пункте приготовления жидкости.
Техника безопасности при изготовлении и применении ППЖ обеспечивается в соответствии с «Правилами безопасности при геологоразведочном бурении» и дополнительными правилами и мерами предосторожности. Технический ПАА не токсичен, не пожаро- и взрывоопасен. Однако при его растворении или гидролизе выделяется аммиак – токсичный газ, взрывоопасный при повышенной концентрации в смеси с воздухом. Поэтому помещения, в которых изготовляются или хранятся полимерные промывочные жидкости, а также желированный ПАА, должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией.
10.6. Биополимерные промывочные жидкости
Биополимеры – это природные или биосинтетические (продуцируемые микробными штаммами), высокомолекулярные соединения, являющиеся основой всех живых организмов и растений. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные. Известны также смешанные биополимеры, например, липопротеиды (комплексы, содержащие белки и липиды), гликопротеиды (соединения, в молекулах которых олиго- или полисахаридные цепи ковалентно вязаны с пептидными цепями белка), липоволисахариды (соединения, молекулы которых построены из липида, олиго- и полисахарида). Наиболее распространенным природным биополимером является целлюлоза и ее производные, относящиеся к полисахаридам и, составляющие основную часть клеточных стенок растений.
К природным биополимерам также относятся биогенные материалы или полимеры биологического происхождения, включающие торфо-, ило-, лигносодержащие материалы и продукты их переработки. В результате переработки (окислительно-гидролитической деструкции) биогенного сырья получаются эффективные компоненты для биополимерных жидкостей, представляющие собой полиоксикарбоновые и поликсифенольные кислоты, или соли указанных кислот. По сравнению с биосинтетическими полимерами природные биополимеры относительно недорогие из-за упрощенной технологии их изготовления и доступности. Основным сырьевым источником для изготовления предлагаемых биополимеров являются целлюлоза и ее производные, содержащиеся в многотоннажных отходах деревообрабатывающей промышленности (лигносодержащие компоненты), в илах, сапропелях, торфах, осадках очистных сооружений и т.д.
По экологическим характеристикам природные биополимеры не уступают биосинтетическим. Отработанные буровые биополимерные жидкости не требуют специализированной утилизации, т.к. органические компоненты, проникающие в почву, обогащают ее, подвергаясь биологическому разложению при контакте с микрофлорой почв. При этом, в отличие от дорогостоящих биосинтетических полимерных жидкостей природные биополимеры имеют больший рабочий ресурс, вследствие их повышенной физико-химической и биологической стабильности вне контакта с почвами.
Полимерные жидкости из биогенного сырья обладают повышенными антикоррозионными и ингибирующими, по отношению к глинистым породам, свойствами, повышают выход глинистых растворов (не менее, чем на 5 %) и понижают показатель фильтрации необработанных глинистых растворов (в 2-3 раза). Предлагаемые биополимеры содержат от 50 до 100 % основного вещества. Готовый продукт представлен в виде сухого порошка от темно-коричневого до черного цвета, расфасован в мешки, хорошо растворим в воде и не требует дополнительных затрат при перевозках и приготовлении буровых растворов.
Комплекс положительных экономических, технологических и экологических параметров, присущих биополимерным жидкостям из биогенного сырья, позволяет использовать их при бурении скважин различного назначения.
10.7. Технические средства для приготовления промывочных жидкостей
Ультразвуковая эмульсионная установка УЭМ-5 конструкции ПГО «Красноярскгеология» (рис.10.2) предназначена для приготовления тонкодисперсных эмульсий; она позволяет механизировать этот процесс, улучшить качество приготовляемых жидкостей, сократить расход эмульгирующих компонентов.
|
|
|
