 |
6.2. Технологические параметры промывочных жидкостей и методы их определения
|
|
|
|
Бурение скважин ведется в различных горно-геологических условиях и для эффективного их сооружения применяются разнообразные по составу и свойствам промывочные жидкости. Для контроля свойств промывочных жидкостей измеряется целый ряд их параметров, которые определяют соответствие этих свойств условиям бурения скважин.
Плотность – это масса единицы объема. Она выражается в г/см3 или кг/м3. Плотность зависит от содержания и состава твердой фазы. Повышение плотности отрицательно сказывается на механической скорости бурения и в тоже время она способствует созданию давления на стенки скважины, предотвращению их обрушения и притоков в скважину воды, нефти и флюидов. Уменьшение плотности необходимо для устранения поглощения промывочных жидкостей, что возможно при введении в промывочную жидкость воздуха с целью получения аэрированного раствора.
Плотность измеряют с помощью прибора ареометра АГ – 3ПП, входящего в комплект АБР – 1 (рис. 6. 2). В состав комплекта АБР – 1 входит металлический футляр в виде ведерка 9 с крышкой, служащей пробоотборником для раствора, и собственно ареометра АГ – 3ПП, который состоит из мерного стакана5, донышка 6, поплавка 7, стержня 8 и съемного калибровочного груза 1. На стержне 8 поплавка 7 имеется две шкалы 10: одна с делениями от 0, 9 до 1, 7 г/см3 и другая от 1, 6 до 2, 4 г/см3 и на противоположной поверхности – шкала поправок, а в верхней части этого стержня размещается пробка 11. Кроме того, в нижней части стакана 5 расположена заглушка 2, внутри которой помещается компенсационный груз 3 и балласт 4. При измерении мерный стакан 5 до верха заполняется испытуемым раствором, избыток которого стекает через боковые отверстия в верхней части мерного стакана 5, присоединяется поплавок, и ареометр в вертикальном положении опускается в футляр-ведро 9 с чистой пресной водой. Отсчет плотности берут по уровню воды в сосуде обычно по левой шкале со значениями плотности до 1, 7 г/см3. Если раствор, утяжеленный и ареометр полностью тонет в воде, груз 1 снимается, опускают ареометр в воду без груза и отсчет берут по правой шкале с большими значениями плотности – до 2, 4 г/см3.
|
|
|
Рис. 6. 2. Ареометр АГ-ЗПП в составе комплекта АБР-1
Перед применением ареометра проверяется точность его показаний путем определения плотности пресной воды, когда исправный ареометр должен показывать её плотность, равную 1, 0 г/см3. Допускается погрешность измерения ±0, 01 г/см3.
Плотность нормальных глинистых растворов приготовленных из бентонита составляет 1, 04 – 1, 08 г/см3.
Условная вязкость измеряется временем истечения 500 см3 раствора через трубку с диаметром отверстия 5 мм вискозиметра, воронка которого заполняется 700 см3 раствора. Комплект ВБР – 1 (рис. 6. 3) состоит из вискозиметра ВП – 5 (1), сетки 2 и мерной кружки 3. Для измерения условной вязкости, закрывают нижнее отверстие трубки пальцем, через сетку заливают раствор (700 см3) до края воронки. Подставляют мерную кружку объемом 500 см3, включают секундомер и одновременно открывают нижнее отверстие. Когда кружка заполнится раствором, секундомер выключают и фиксируют время истечения. Для нормальных растворов условная вязкость составляет обычно Т =(20 – 25)с.
Рис. 6. 3. Вискозиметр ВП-5 в составе комплекта ВБР-1
Правильность показаний вискозиметра проверяется на чистой, пресной воде при комнатной температуре. При исправном вискозиметре условная вязкость воды Т =15с (водное число вискозиметра).
Повышенная вязкость раствора способствует увеличению выхода керна, увеличению выноса частиц шлама и усилению связности рыхлых породах, но то же время это приводит к снижению механической скорости бурения, увеличению гидравлических сопротивлений, ухудшению очистки раствора от шлама в циркуляционной системе.
|
|
|
Статическое напряжение сдвига характеризует прочность структуры глинистого раствора, образующейся за определенное время его пребывания в покое. Количественной мерой прочности структуры является то минимальное напряжение, которое придает раствор текучесть, которое называется статическим напряжением сдвига. Для измерения этого параметра используется ротационный вискозиметр СНС – 2 (рис. 6. 4), который состоит из цилиндра 6, подвешенного на упругой нити 2 с помощью конуса 1, кронштейна 4 стакана 7, установленного на столике 8. Вращение с частотой 0, 2 мин-1 через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Во избежание скольжения испытуемого раствора поверхность подвешенного цилиндра сделана рифленой. На трубке 3, соединенной с цилиндром, укреплен лимб 14, с делениями от 0 до 360о. На уровне лимба, на кронштейне находится указатель 5. Для установки станины 11 прибора в горизонтальное положение имеются опорные 10 и установочные 9 винты.
Рис. 6. 4. Схема ротационного вискозиметра СНС-2.
Перед измерением станину прибора с помощью установочных винтов приводят в горизонтальное положение, о чем будет свидетельствовать соосное расположение цилиндра 6 в стакане 7. Затем поворотом конуса совмещаются ноль лимба 14 с указателем, после чего конус фиксируется легким нажатием сверху.
В зазор между цилиндром и стаканом заливается исследуемая жидкость до тех пор, пока уровень ее не совпадет с верхним основанием цилиндра 6. Испытуемую жидкость хорошо перемешивают путем вращения (вручную) внутреннего цилиндра, после чего нуль лимба совмещают с указателем, включают секундомер и жидкость оставляют в покое до образования структуры. Жидкость выдерживают в покое после установки внутреннего цилиндра в течение 1 и 10 мин и затем определяют соответствующие значения статического напряжения сдвига θ 1 и θ 10.
При включении электромотор вращение стакана, через структуру раствора передается внутреннему цилиндру 6, который закручивает упругую нить 2. Закручивание нити с цилиндром 6 вследствие пластической деформации раствора постепенно снижается. В момент, когда сила сопротивления нити при закручивании станет равным силе сопротивления трения между раствором и поверхностью цилиндра, структура раствора разрушается, и цилиндр останавливается. Угол закручивания нити (φ ) определяют по лимбу прибора с помощью указателя, закрепленного на штативе. Затем раствор в стакане вновь перемешивают и производят аналогичное измерение угла закручивания φ через 10 мин выдержки раствора в покое.
|
|
|
Статическое напряжение сдвига вычисляется по формуле:
, Па
(6. 1)
, Па
где: φ 1 и φ 2 – начальный и конечный отсчет соответственно по шкале лимба, град.;
К – константа прибора, характеризующая величину статического напряжения,
приходящегося на 1 град. угла закручиванию нити, Па/град.
Статическое напряжение для нормальных глинистых растворов находится в пределах θ 1= 1, 5 – 2, 0 Па, θ 10= 2, 5 – 4, 0 Па.
При низких значениях статического напряжения сдвига буровой шлам быстро выпадает в осадок, что может привести к прихвату бурового инструмента. При повышенных его значениях происходит более эффективное кольматирование пор и трещин, что способствует устранению поглощения промывочной жидкости. Но при этом хуже очищается буровой раствор от шлама на поверхности, возрастают пусковые давления на насосе.
Водоотдача и толщина фильтрационной корки являются наиболее важными характеристиками промывочных жидкостей. Водоотдача – это способность раствора отдавать воду под избыточным давлением через пористую перегородку. В процессе фильтрации воды на пористой перегородке или на стенках скважины формируется фильтрационная корка, тем меньше воды отфильтровывается в стенки скважины под действием гидростатического давления столба промывочной жидкости, а также лучше сохраняется устойчивость стенок скважин. Минимальная водоотдача особенно важна при бурении рыхлых, малосвязанных осадочных пород для сохранения их устойчивости.
|
|
|
Водоотдачу измеряют в см3 за 30 мин при перепаде давления на стандартном фильтре в 0, 1 МПа. Фильтрационная корка измеряется металлической линейкой в мм.
Прибор ВМ – 6 (рис. 6. 5) для измерения водоотдачи состоит: из основания, напорного цилиндра с плунжером и фильтрационного стакана с принадлежностями. Фильтрационный стакан 6 в верхней части имеет горловину с наружной резьбой, нижний конец его также имеет резьбу. Узел напорного цилиндра состоит из собственно цилиндра 9 с ввернутой в него втулкой, плунжера 11 и груза – шкалы 10, укрепленного на плунжере. Шкала нанесена на прозрачный пластмассовой пленке и прикреплена к грузу винтами. Сквозь шкалу видна отсчетная риска на верхнем конце втулки цилиндра.
Рис. 6. 5. Прибор ВМ-6.
В нижней части цилиндра имеется отверстие, которое служит для спуска масла 8 из цилиндра при установке шкалы на «0» (совмещение нулевой отметки шкалы с риской на втулке цилиндра). Отверстие перекрывается иглой 7. Цилиндр соединяется с фильтрационным стаканом 6 посредством резьбы. В месте соединения ставится уплотнительная прокладка из маслостойкой резины.
Основание 3 представляет собой пластмассовую чашку с резьбой для соединения с фильтрационным стаканом, отверстием под пробку 4 и каналами 1 для сброса фильтрата.
На поверхность основания укладывается фильтрационная бумага, на которой размещается резиновая прокладка 2, герметизирующая соединение основания и фильтрационного стакана.
Для измерения водоотдачи в фильтрационный стакан, соединенный с основанием и размещенным в нем фильтром, заливается 120 см3 промывочной жидкости 5. На стакан навинчивается напорный цилиндр и заливается масло. Затем в цилиндр вставляется плунжер с грузом-шкалой. Ноль шкалы совмещается с риской на напорном цилиндре, в результате дренажа масла через отверстие при слегка отвернутой игле 7. Включается секундомер и в основании убирается пробка 4 для прохода воды. Время измерения 30 мин. В процессе измерения груз-шкала через плунжер и масло создает избыточное давление в 0, 1 МПа на раствор в фильтрационном стакане. Под действием избыточного давления вода отфильтровывается из раствора через фильтрованную бумагу, на которой образуется фильтрационная корка. Шкала прибора позволяет определять водоотдачу до 40 см3 (объем жидкой фазы раствора).
|
|
|
Для ускорения определения водоотдачи, используют бланк с двойной логарифмической сеткой. Измерив водоотдачу за два промежутка времени (например, 5 и 10 мин), можно методом графической экстраполяции определить водоотдачу, которая будет за 30 мин. При таком методе определения водоотдачи толщина и качество фильтрационной корки не показательны.
Для нормальных глинистых растворов считается допустимой водоотдача в пределах 10 – 12 см3 за 30 мин при толщине глинистой корки 1, 0 – 1, 5 мм.
Содержание песка в растворе определяется с помощью металлического отстойника ОМ – 2 (рис. 6. 6), представляющего собой цилиндр 2 со стеклянной измерительной пробиркой 4 в нижней части. На боковой поверхности пробирки имеется шкала 8 с делениями через 0, 1 см3. Пробирка крепится в прорези цилиндра с помощью винта 7, перекладины 6 и прокладкой 3 и 5. Сверху отстойник закрывается крышкой–колпаком объемом 50 см3.
Рис. 6. 6. Отстойник ОМ-2.
Для определения содержания песка в прибор сначала заливают 500 см3 воды, затем с помощью крышки-колпака отливают 50 см3 воды и заливают столько же глинистого раствора. Объем жидкости 500 см3 в приборе соответствует положению уровня у отверстия в боковой поверхности. Надев крышку и закрыв отверстие пальцем, отстойник несколько раз переворачивают и встряхивают, после чего устанавливают в вертикальное положение и оставляют в покое на 1-2 мин. За это время из раствора оседают частицы песка (шлама) или нерастворившиеся частицы глины.
По делениям на шкале пробирки определяют объем осевших частиц Vо (в см3) и полученный результат умножают на два, получают содержание песка:
, % (6. 2)
Стабильность раствора определяется с помощью цилиндра ЦС – 2 (рис. 6. 7) и ареометра АГ – 3ПП.
Отобрав пробу раствора из приемной емкости, его заливают в цилиндр стабильности 2. После нахождения в состоянии покоя раствора в течение 24 час, для чего прибор подвешивается на ручке 3 с отверстием, а затем слив верхнюю часть раствора до пробки 1 измеряют плотность раствора, находившегося в нижней и верхней частях цилиндра. Показателем стабильности является разность в измерениях двух значений плотности, которая не должна быть не более 
г/см3.
Рис. 6. 7. Цилиндр стабильности ЦС-2.
Реологические параметры характеризуются пластической (μ П) и эффективной (кажущейся) вязкостью (μ Э), а также динамическим напряжением сдвига (τ О). Эти параметры определяются расчетным путем с использованием результатов измерений, полученных на вискозиметре сдвиговых напряжений ВСН – 3.
Рис. 6. 7. Вискозиметр ВСН-3.
Прибор ВСН – 3 (рис. 6. 7) состоит из следующих частей: двухскоростного редуктора 1, синхронных электродвигате-лей 2 (СД – 54) и 4 (СД – 2), переключателя редуктора 3, размещенных в корпусе 15, а также шестеренки обгонной муфты 5, трансмиссионного вала 6, телескопического стола 14, на котором устанавливается стакан 13 с буровым раствором. Измерительный механизм прибора включает в себя гильзу (наружный вращающийся цилиндр) 11, цилиндр 12, подвешенный на пружине 9 (динамометр), измерительную шкалу 7, шкалу крутильной головки 8 и крутильную головку 10.
|
|
|
