Адсорбционные явления при бурении

При бурении скважин происходит разрушение горных пород. Породы обладают определенной прочностью, т.е. сопротивлением разрушению под

действием внешних нагрузок. От прочности породы, обусловленной силами взаимодействия частиц, составляющих твердое тело, зависит скорость бурения. Прочность твердого тела зависит от избыточной поверхностной энергии. Чем выше избыточная поверхностная энергия, тем больше прочность породы. Следовательно, прочность твердого тела, в том числе горной породы, можно снизить уменьшением поверхностного натяжения. Существенно понизить поверхностное натяжение и следовательно уменьшить энергетические затраты на разрушение твердого тела можно путем адсорбции на его поверхности смачивающей твердое тело жидкости и особенно поверхностно-активных веществ. Этот эффект понижения прочности твердого тела в адсорбционно-активных средах был открыт А.А. Ребиндером и назван его именем. Вещества, снижающие прочность материалов, называются понизителями твердости.

Реальная техническая прочность твердых тел обычно намного ниже

теоретической, вычисленной суммированием энергии связи составляющих тело частиц. Это объясняется тем, что твердые тела не являются сплошными, они имеют различные дефекты структуры-трещины, включения, в которых связи ослаблены. Значительное количество ослабленных связей имеется в горных породах, особенно пористых. Количество мест с ослабленными связями при бурении возрастает вследствие образования микротрещин в призабойной зоне при работе долота.

При бурении в присутствии жидкости, смачивающей породы, молекулы жидкости по микротрещинам и порам проникают в микротрещины и поры и ослабляют связи между отдельными участками породы (рис. 26).

Адсорбционные слои проникающих в микрощели и поры адсорбционно-активных веществ, обладая упругими свойствами, препятствуют смыканию микрощелей после снятия нагрузки и восстановлению утраченных во время деформации связей. В результате такого расклинивающего действия адсорбционных слоев прочность горных пород существенно понижается.

Все гидрофильные тела легче разрушаются в воде, гидрофобные в углеводородах. Вода снижает твердость минералов (по сравнению с твердостью на воздухе) на 20-30 %, а иногда и более.

Введением определенных добавок в жидкость можно еще более

понизить прочность твердого тела.

Рис. 26. Схема адсорбционного понижения твердости

Так, прочность гидрофильных минералов сильно понижается в присутствии электролитов. Причем концентрация их, необходимая для понижения твердости, невелика (0,01-0,25 %) и зависит от природы электролита и твердой породы. Наиболее эффективны электролиты, содержащие многозарядный ион или ион, одинаковый или изоморфный с ионом породы, поскольку от этого зависит толщина и упругость адсорбционного слоя воды (см. с. 33). Поэтому у разных пород понижение твердости достигается применением добавок различных электролитов. Так, для кварцевых алюмосиликатных пород следует добавлять ионы Na+, Cl-, Al3+ и др., для карбонатных пород - ионы Na+, Cl-, SO42-, Mg2+, Ca2+ и др. Например, такие электролиты, как AlCl3, Na2SiO3, понижают прочность кварцита на 50-60 %. Сильно понижают прочность горных пород и органические ПАВ, особенно растворы мыл. В отличие от неорганических веществ действие органических ПАВ проявляется при более высокой концентрации (до 1 %), Для понижения твердости пород при бурении нефтяных и газовых скважин применяют нафтеновые мыла, ОП-10, отходы

некоторых химических и нефтехимических производств, например, окисленный петролатум.

При этом проходка скважин на долото увеличивается на 20-60 %, а механическая скорость бурения на 15-200 %, Промышленный метод бурения с применением ПАВ разработан П.А. Ребиндером, А.А. Шрейнером и К.Ф. Жигачем.

В нефтепромысловой практике следует учитывать адсорбционное понижение прочности цементного камня, образующегося при креплении скважин, в бетонах платформ и эстакад, с которых проводят морское бурение, в бетонных резервуарах-хранилищах газа и нефтепродуктов.

Механические свойства грунтов и горных пород могут значительно

изменяться под действием воды, водных растворов электролитов и органических веществ, а также под действием ПАВ нефти и в природных условиях. Учет этого влияния необходим при изучении геологических процессов.

Адсорбционное понижение прочности твердых тел используют при механической обработке различных материалов - резании, фрезеровке, сверлении и т.д.

Если привести в соприкосновение две твердые поверхности в достаточно тесный контакт, то вследствие проявления адгезионных поверхностных сил они будут притягиваться друг к другу. Действие адгезионных сил проявляется при трении сопряженных твердых поверхностей. Поверхностные силы увеличивают силу трения. При трении имеет также место срезание выступов шероховатостей поверхности и вырывание участков, связанных силой адгезии. Таким образом, поверхностные явления влияют не только на трение, но и на износ. В тяжелых условиях трения (при высокой нагрузке и скорости сдвига, что имеет место в процессе бурения) вследствие сильного повышения температуры материалы трущихся поверхностей не только изнашиваются, но и на отдельных участках контакта свариваются, что, может привести их к разрушению. Для снижения расхода энергии на работу машин, станков, приборов, аппаратов, а также на процесс бурения скважин, в котором имеет место трение между режущим инструментом и породой, между бурильными трубами и стенками скважин, важно снизить трение. Для повышения долговечности деталей машин, бурового инструмента, предотвращения аварий необходимо снизить износ и предотвратить схватывание. Для этой цели используют различные смазочные материалы. При использовании хорошей смазки коэффициент трения снижается на порядок, а износ уменьшается в тысячи раз. В качестве смазочных материалов в различных отраслях промышленности используют нефтяные и синтетические масла и различные поверхностно-активные вещества. При бурении скважин используют добавки - присадки ПАВ в промывочные жидкости. Добавки ПАВ, снижающие трение, называются антифрикционными присадками.

Действие смазочных масел и ПАВ в процессах трения обуславливается адсорбцией и гидрофобизацией поверхности, т.е. заменой полярной поверхности неполярной, обладающей малым силовым полем и,

следовательно, слабо взаимодействующей.

Соприкосновение двух трущихся твердых поверхностей, покрытых адсорбционным слоем, происходит по углеводородным цепочкам адсорбированных молекул, межмолекулярное взаимодействие между которыми осуществляется лишь слабыми дисперсионными силами (рис. 27)

Рис. 27. Схема смазывающего действия ПАВ.

При сдвиге двух таких поверхностей следует разорвать слабые межмолекулярные связи между двумя слоями углеводородов, но не между твердыми поверхностями и не между твердой поверхностью и полярной группой адсорбированной молекулы ПАВ. Иными словами, смазочное действие масел и антифрикционных присадок сводится к тому, что они в той или иной степени разделяют трущиеся поверхности и ослабляют связь между ними. Это уменьшает силу трения, снижает износ и предотвращает или ослабляет схватывание. С увеличением зазора между контактирующими поверхностями сила трения уменьшается. Зазор зависит от толщины образующихся адсорбционных граничных слоев. Толщина полимолекулярных граничных слоев достигает десятых долей микрона, а иногда даже 1-2 микрона. Она зависит от природы ПАВ и поверхности твердого тела. ПАВ, имеющие молекулы разветвленного строения, образуют очень тонкие адсорбционные слои. Наиболее толстые граничные слои образуют ПАВ о линейным строением молекул. С увеличением длины углеводородного радикала толщина граничного слоя увеличивается. С увеличением контактного напряжения и температуры толщина граничного слоя уменьшается.

Граничные слои должны обладать и высокой прочностью, чтобы при больших нагрузках они не выдавливались между зазорами твердых поверхностей и обеспечивали их разделение. Этим требованиям более других отвечают анионактивные ПАВ.

При бурении скважин в качестве антифрикционных и противоизносных присадок используют графит, карбоксиметилцеллюлозу, крахмал, синтетические жирные спирты и кислоты, сульфонол, различные отходы нефтепереработки и нефтехимии (окислении петролатум, гудроны и

др.), нефть.

Большую роль адсорбционные процессы оказывают на свойства буровых растворов и тампонирующих цементов.