Твердая фаза буровых растворов

Твердые частицы играю такую значительную роль в производстве и применении буррастворов, что им выделена особая фаз (хотя все твердые частицы в буррастворе относятся к его прерывистой фазе).нестабильность бурраствора растет, когда процент твердых частиц в буррастворе (в объёме) увеличивается. Химическая обработка может позволить бурраствору выдерживать наличие твердых частиц, но до определенной степени. Возникает множество проблем при неадекватном контроле твердых частиц.

Гигроскопичные частицы или частицы, чья поверхность электрически заряжена, являются активными в растворах на водной основе. Другие частицы, например, барит, относительно инертны. Большинство частиц (кроме некоторых специальных добавок к нефти\ бурраствору) инертны в буррастворах на углеводородной основе. Бурраствор с небольшим общим содержанием частиц может, тем не менее, содержат слишком много активных частиц.

Размер частиц в буррастворе тоже имеет значение. Частицы менее 2 микрон называются коллоидами. (Микрон оставляет одну миллионную метра. В дюйме примерно 25,400 микрон). Их малые размеры делают их чувствительными к их поверхностному электрическому заряду, таким образом, коллоидные частиц более активны. Частицы более 74 микронов по классификация АНИ называется песком. Абразивная поверхность этих частиц вызывает износ насосов, долот и труб. Для частиц о 2 до 74 микрон существует термин «ил».

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

Концентрацию твердых частиц в буррастворе можно контролировать с помощью механического оборудования для удаления частиц или разбавлением водой. Однако, фаза воды более сложная, и для поддержания ионного баланса требуются более сложные механизмы.

Контроль ионного баланса фазы воды сложен потому, что химические тесты воды по своей природе полуколичественные. Таким образом, всегда возникает вопрос, на сколько важны результаты. Большинство химических тестов дает анализ, достаточный для описания поведения бурраствора с химической точки зрения. Тем не менее, иногда кажется, что есть химический дисбаланс, в то время, как химические тесты показывают отсутствие проблемы. Такое обычно случается при анализе карбонатов и бикарбонатов, и основанием несоответствий тестов может стать щелочная среда, в которой они находятся.

Если щелочность бурраствора являлась только свойством гидроксильных ионов, было бы намного легче связать химические тесты с желаемой вязкостью, водоотдачей, ингибицией, коррозией растворимостью органических разбавителей. Однако такое редко случается в буррастворе, и химия бурраствора становится сложнее.

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ – ЩЕЛОЧНОСТЬ БУРРАСТВОРА

В буррастворах на водной основе тип и степень щелочности должны строго контролироваться для придания хороших реологических свойств, прочности геля, контроля коррозии, распускаемости глины, водоотдачи, ингибиторных свойств. Все химические реакции, влияющие на эти свойства, происходят в водной фазе бурраствора. Щелочность определяет поведение водной фазы бурраствора.

Щелочность можно определить как содержание излишних ионов гидроксила (ОН^-) в водном растворе. Вода частично ионизируется, образуя ионы водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН^-).

В нейтральном растворе количество ионов водорода и гидроксила равное. Когда количество ионов гидроксила превышает количество ионов водорода, раствор щелочной. Степень щелочности измеряется определением излишнего количества ионов гидроксила.

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ.

Водородный показатель измерят концентрацию ионов водорода, и относится к щелочности с помощью уравнения: Н₂О=Н⁺+ОН^-.

Химический баланс работает таким образом, что реакция ионизации и обратная реакция протекают непрерывно. В пресной воде равная концентрация ионов водорода и гидроксила одинакова и составляет 0,0000001 (10^-7) молей на литр.

Водородный показатель определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода (Н⁺). Водородный показатель пресной воды равен 7,0. В любом водном растворе продукт концентрации ионов водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН^-) это константа К_w.

К_w = (Н⁺) · (ОН^-) = 10^-14

Когда концентрация ионов водорода повышается, концентрация ионов гидроксила должна уменьшаться. Итак, хотя водородный показатель измеряет количество ионов водорода, он обратно пропорционален концентрации ионов гидроксила.

Отметим, что шкала водородного показателя отрицательна и логарифмична, и имеет деления от 0 до 14. Возрастание по шкале водородного показателя означает снижение концентрации ионов водорода. Изменение на одно деление по шкале водородного показателя означает возрастание или снижение концентрации на 10. Когда Водородный показатель ниже 7.0, раствор кислотный, т.к. ионов водорода больше, чем ионов гидроксила. Водородный показатель может быть связан с фенолфталеиновой щелочностью (Рf) следующим образом:

РН Pf

8.0 Tr

8.5 0.1

9.0 0.25

9.5 0.3

10.0 0.5

10.5 0.7

11.0 0.8

11.5 1.0

12.0+ 3.0

12.5+ 5.0

13.0+ 7.0

Это соотношение не всегда правильное, т.к. могут вмешаться тормозящие агенты. Если в системе присутствует большое количество натрия, сульфата, хлорида или других ионов, водородный показатель для данного Pf может быть ниже.

Значение водородного показателя можно измерить электрометрически, с помощью измерителя рН со стеклянным электродом. Однако, наиболее распространенный метод – это тест с бумажными полосками для измерения рН цветометрически.

1. Для фильтрата, поместите каплю фильтрата на небольшую бумажную полоску. Сравните цвет с контрольным справочником и установите водородный показатель.

2. Для бурраствора, поместите полоску бумаги длиной 1 дюйм на образец бурраствора. Через 30 секунд сравните цвет с контрольным справочником и установите водородный показатель.

Практически во всех буррастворах водородный показатель должен быть больше 7.0. При более высоком водородном показателе снижается коррозия. При щелочном водородном показателе обычно требуются разбавители. С более высоким водородным показателем снижается эффект загрязнения.

Водородный показатель контролируется таким же способом, как и Pf. В большинстве диапазонов водородного показателя , Pf является наиболее точным способом измерением ионов гидроксила.

ЩЕЛОЧНОСТЬ.

Щелочность может быть классифицирована в соответствии с источником. Обычно она возникает из-за ионов гидроксилов вследствие обработки каустической соды.

NaOH= Na⁺ + OH^-

Буровой цемент или известь отдают ионы гидроксила вследствие ионизации

Са(ОН)₂=Са²⁺ +2ОН^-

Другим источником активных гидроксильных ионов может быть ионизация вследствие обработки бурраствора кремнием.

Na₂SiO₃ + H₂O = 2Nа⁺ +SiO^2- + 2OH^-

Эти первичные источники щелочности выделяют активные ионы гидроксила в бурраствор.

Существуют другие источники, которые могут сказаться на щелочности при определенных обстоятельствах. Если присутствуют ионы карбоната, они могут реагировать с водой и выделять ионы гидроксила.

1. СО^2- + Н₂О = НСО₃^- + ОН^-

В дальнейшем бикарбонат НСО3- может реагировать далее:

2. НСО^-3 + Н₂О = Н₂СО₃ + ОН^-.

Эти реакции происходят обычно тогда, когда водородный показатель снижен до такого предела, что произведенные ионы гидроксила мгновенно реагируют с ионами водорода. При титровании со стандартным раствором добавок (1) реакция начнется, когда водородный показатель снизится до 11,5; реакция (2) начнется при рН 8.3. Так как для реакции с СО₃^2- и НСО₃^-используется дополнительное количество кислоты, раствор как бы заторможен. Для нейтрализации результатов заторможенного раствора при высокой щелочности применяется дополнительное количество добавок. Участие вышеуказанных реакций в общей щелочности называется карбонатной и бикарбонатной щелочностью.

Нерастворенные в буррастворе ионы гидроксила образуют ещё один тормозящий агент.

Сейчас существует несколько способов измерения щелочности бурраствора: Рf, Мf и Рм измеряются определением количество стандартного кислотного раствора, необходимого для нейтрализации присутствующей щелочности. Измерение этого количества может указать на тип и источник щелочности.

ИСТИННЫЕ ЖИДКОСТИ

У некоторых жидкостей касательное напряжение прямо пропорционально скорости сдвига. Такие жидкости называются истинными (ньютоновскими). Вода это истинная жидкость, так же, как и соляровое масло и глицерин.

Математически истинные жидкости отвечают уравнению:

Касательное напряжение = м * скорость сдвига.

Где м – некая константа.

м

м

рис.1 рис.2

На рис.1: отношение касательного напряжения и скорости сдвига ля истинных жидкостей.

На рис.2: отношение вязкости и скорости сдвига для истинных жидкостей.

График этого выражения выгляди как прямая, проходящая через начало отсчета (рис.1). Наклон прямой это м.

Вязкость жидкости определяется касательным напряжением, деленным на скорость сдвига. Таким образом, вязкость жидкости, описанной в предыдущем уравнении это м. Вязкость истинной жидкости постоянна. Если мы показываем её на графике как функцию скорости сдвига, то получим горизонтальную прямую.

СТРУКТУРНАЯ ВЯЗКОСТЬ

Структурная вязкость обычно описывается как часть сопротивления течению, вызванная механическим трением.

Главным образом на нее влияют:

1. Концентрация твердых частиц;

2. Размер и форма тверды частиц;

3. Вязкость жидкой фазы.

Твердая фаза это главная забота технолога по буррастворам. Возрастание структурной вязкости обычно означает возрастание объёма твердых частиц, уменьшение их размера, или и то, и другое. Любое возрастание общей поверхности твердых частиц означает повышение структурной вязкости. При разломе твердой частицы пополам, образуются 2 частицы с большей общей поверхностью, чем первоначальная. У плоской частицы поверхность больше, чем у сферической такого же объёма. В большинстве случаев, повышение структурной вязкости вызвано повышением процентного содержания твердых частиц.

Некоторые частицы добавляют в бурраствор специально. Бентонит, например, хорош для вязкости и контроля водоотдачи, а барит необходим для веса. В принципе твердые частицы неблагоприятно влияют на бурраствор.

Есть 3 способа контроля твердых частиц:

1. Растворение

2. Отстаивание

3. Механический контроль

ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ

Предел текучести это часть силы сопротивления текучести, вызванной силой притяжения частиц. Это сила притяжения вызвана электрическими зарядами на поверхности частиц, присутствующей в жидкой фазе. Величина этой силы вызвана:

1. Типами частиц и их поверхностными зарядами

2. Количеством частиц

3. Ионной концентрацией солей, содержащейся в жидкой фазе бурраствора

Чрезмерный предел текучести может быть вызван несколькими причинами. Столкновение с такими загрязнителями, как соль, цемент или ангидрит, заставляет частицы глины флокулировать. Размалывание и разрыв (например, у долота и засыпной воронки) разбивают частицы, высвобождая больше зарядов. Возрастание концентрации частиц вызывает повышение количества зарядов и уменьшает расстояние между частицами.

Для снижения предела текучести могут добавляться химикаты для нейтрализации поверхностных зарядов. Если возрастание предела текучести вызвано флокуляцией частиц глин ионами кальция, ионы, вызвавшие флокуляцию, могут быть удалены в виде осадка. Загрязнения солью можно избежать только разбавлением водой или добавлением достаточного количества химикатов для нейтрализации лишних поверхностных зарядов.

Возрастание предела текучести можно достичь добавлением хорошего загустителя. Также возрастание предела текучести может вызвать любой флокулянт; небольшое количество извести, например, добавленное в бурраствор на пресной воде, содержащий достаточное количество гидратированного бентонита или другие глины, произведет флокуляцию и повысит предел текучести. Однако важно помнить, что флокуляция может иметь нежелательные эффекты на контроль водоотдачи, давлении циркуляции и прочность геля.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ