Эмульсионные жидкости-виброгасители
Вибрация бурового снаряда при алмазном бурении вынуждает ограничивать скорости вращения бурильных труб или применять специальные антивибрационные средства. Одним из наиболее прогрессивных методов борьбы с вибрацией бурового снаряда является применение эмульсионных жидкостей-виброгасителей.
Промывочные жидкости-виброгасители представляют собой эмульсии типа «масло в воде».
Наряду со снижением вибраций бурового снаряда применение эмульсионных промывочных жидкостей обеспечивает увеличение механической скорости бурения в среднем на 20 %, рост проходки на коронку – на 30 %, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных труб на 30-35 %, а также снижение потерь напора при циркуляции. В отдельных условиях эти цифры оказываются значительно выше.
Наибольшее распространение в качестве виброгасителя получила эмульсионная жидкость на основе кожевенной пасты. Паста является товарным продуктом, выпускаемым отечественными нефтеперерабатывающими заводами, и представляет собой веретенное масло, загущенное натровыми мылами синтетических жирных кислот (продуктами окисленного петролатума).
Состав пасты (в % по массе):
натровые мыла окисленного петролатума......................................................................................35-40
неомыленный остаток окисленного петролатума (не более)........................................................15
вода (не более)...........................................................................................................................................20
масло веретенное «3» или «3В» - остальное до 100 % (не менее)................................................25
Для приготовления эмульсионного раствора паста вводится в промывочную жидкость в количестве от 0,5 до 2,0 %. Предварительно расчетное количество пасты разбавляется небольшим объемом воды, после чего выливается в отстойник и перемешивается.
Наряду со снижением вибраций бурового снаряда применение такой эмульсионной промывочной жидкости обеспечивает рост механической скорости бурения, стойкости алмазных коронок, уменьшение износа бурового оборудования и инструмента, снижение потерь напора при циркуляции, снижение расхода мощности на бурение и привод насоса.
Получаемая при растворении пасты в воде эмульсия имеет светло-кремовый цвет и представляет собой многокомпонентный раствор натровых мыл окисленного петролатума и его неомыленного остатка, в котором в виде тонкодисперсной фазы распределено минеральное масло.
При приготовлении эмульсии следует учитывать жесткость воды, из которой будет готовиться промывочная жидкость. Влияние жесткости на эмульсионные промывочные жидкости, содержащие натровые мыла, сводится к тому, что ионы кальция и магния, содержащиеся в жесткой воде, вступают в химическую реакцию с растворимыми мылами с образованием нерастворимых кальциевых и магниевых солей. В результате количество эмульгатора в эмульсии уменьшается, что отрицательно сказывается на ее эксплуатационных свойствах. В очень жестких водах возможно полное связывание мыл ионами кальция и магния, сопровождающееся разрушением эмульсии. Кальций и магний могут попадать в промывочную жидкость и в процессе бурения, но жесткость воды, на которой готовится эмульсия, является определяющей.
Наиболее устойчива эмульсия, приготовленная на мягкой воде (жесткость до 5,3 мг/экв). При жесткости воды свыше 13-14 мг/экв требуется обязательное ее смягчение введением электролитов (кальцинированной соды, каустической соды, тринатрий фосфата) или добавкой жидкого стекла в количестве 0,1-1,0 % по массе от объема приготовленной эмульсии.
Возможное изменение качества эмульсии в процессе бурения требует периодического контроля ее свойств. В производственных условиях достаточен ориентировочный контроль эмульсий на стабильность, содержание масла, мыла и общую концентрацию в ней пасты. Применение эмульсий, обедненных маслом и натровым мылом, ухудшает антивибрационный и смазочный эффект.
Стабильность эмульсии определяют( в мерном стеклянном цилиндре объемом 100 мл) путем ее выдержки при комнатной температуре в течение 2 ч. Отсутствие расслаивания эмульсии на масляную фазу и воду свидетельствует об ее устойчивости.. Часто при испытании в верхней части цилиндра выделяется слой концентрированной эмульсии светлого цвета при сохранении однородности в остальной части. При взбалтывании концентрированный слой исчезает. Эта эмульсия также является стабильной.
Косвенно об устойчивости используемой эмульсии можно судить по ее состоянию в отстойнике при прекращении циркуляции. Отслоение масляной фазы наповерхности жидкости свидетельствует о недостаточной устойчивости эмульсии или о ее полном разрушении.
Контроль концентрации эмульсии осуществляется методом «счета капель» при условии отсутствия других веществ, снижающих поверхностное натяжение жидкости. Зависимость между концентрацией эмульсии из кожевенной пасты и количеством капель в одном см3 при ее истечении приведена на рис. 5.1.
Рис..5.1 Зависимость числа капель в единице объема от концентрации эмульсии
.
Определение содержания масла в эмульсии производят ее разложением концентрированной серной кислотой. Для анализа отбирают 100 см3 анализируемой эмульсии и заливают в колбу. В колбу с эмульсией осторожно вливают 50 мл серной кислоты удельного веса 1,84 гс/см3. Затем содержимое колбы взбалтывают и через 2-3 мин доливают воду до верхнего деления. Количество выделившегося масла показывает процентное его содержание в испытываемой эмульсии.
В районах с высокой минерализацией вод, а также при отсутствии товарного эмульсола, последний может быть приготовлен из ОП-10 (или ОП-7) и нигрола. Концентрация ПАВ в промывочной жидкости должна быть в пределах 0,4-0,5 %, содержание нигрола может колебаться от 1 до 4 %. При значительной вибрации колонны бурильных труб содержание нигрола в жидкости должно соответствовать максимуму.
Эмульсол из ПАВ и нигрола готовят следующим образом:
1. К расчетному количеству эмульгатора добавляют такое же количество нигрола и перемешивают в течение 20-30 мин. Затем к этой смеси постепенно (также при интенсивном перемешивании) добавляют воду в количестве, не превышающем 1/5 веса полученной массы. Когда смесь приобретает равномерную окраску, в нее порциями добавляют оставшуюся часть нигрола, и смесь снова перемешивают. Приготовление эмульсии производится предварительным разбавлением эмульсола водой до жидкого состояния и заливкой полученной смеси в отстойник.
2. Сначала готовят 20 %-ный водный раствор эмульгатора, затем в него при интенсивном перемешивании вводят нигрол. Эмульсионную промывочную жидкость получают путем разбавления эмульсола водой до требуемой концентрации.
Для гашения вибраций нашла применение эмульсионная промывочная жидкость на основе смеси гудронов, являющихся отходами масложировой промышленности. Оптимальная концентрация смеси гудронов в промывочной жидкости находится в пределах 1,5-2,5 % и зависит от состава смеси. Повышение концентрации смеси гудронов свыше 2,5 % приводит к «засаливанию» торца алмазной коронки и уменьшению скорости бурения.
Эмульсол на базе смеси гудронов получают предварительным омылением последних каустической содой. Процесс осуществляют в следующей последовательности. В кипятильнике нагревают до кипения необходимое количество воды и одновременно готовят раствор щелочи, в глиномешалку закачивают расчетное количество смеси гудронов, заливают горячую воду и смесь перемешивают в течение 5 мин. Затем добавляют требуемое количество каустической соды и состав вновь перемешивают в течении 15-20 мин.
Количество щелочи обусловливается кислотным числом А данной партии смеси гудронов (кислотное число – это количество мг КОН, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г данного вещества) и может быть определено по формуле:
G = 0,713 А, мг/г (г/кг).
В зависимости от времени года готовят зимнюю (30 %) или летнюю (50 %) омыленную эмульсию. Для приготовления 1 м3 летней эмульсии требуется 430 кг смеси гудронов и 500 л воды, для получения 1 м3 зимней эмульсии эти количества составят соответственно 252 и 700 л.
Приготовление эмульсионной промывочной жидкости осуществляют введением в отстойник с водой полученную концентрированную эмульсию с таким расчетом, чтобы количество смеси гудронов не превышало принятого значения. Если жесткость воды, на которой готовится эмульсионная жидкость, выше 5 – 6 мг/экв, необходимо ее понизить.
Возможно применение смеси гудронов для эмульгирования глинистых растворов. Такие эмульсии устойчивы к аэрации.
Эмульсионные жидкости на основе смеси гудронов обладают высокой стабильностью, меньшей чувствительностью к пластовым водам, чем эмульсии на основе кожевенной пасты, и большей поверхностной активностью.
Однако технология приготовления концентрированной эмульсии для условий разведочного бурения довольно сложная.
Эмульсионные промывочные жидкости на основе мылонафта получили большое распространение в Красноярском и Иркутском геологических управлениях.
В отдельных случаях при отсутствии готовых эмульсолов эмульсионную промывочную жидкость можно приготовить из хозяйственного мыла (концентрация мыла 1 – 2 %), однако такая жидкость дорога и в процессе работы вспенивается.
5.2. Гидрофобные эмульсии 2го рода
Применяют преимущественно при бурении скважин на нефть и газ, реже используют для борьбы с поглощениями, а также при бурении в соленосных и неустойчивых глиносодержащих породах, частицы которых легко переходят в промывочную жидкость. Большим преимуществом гидрофобных эмульсий являются повышенная вязкость, пониженный удельный вес, возможность регулирования вязкости в широких пределах.
Известна гидрофобная эмульсия с использованием солярового масла (керосина) и нетоксичных стабилизаторов-алкилоламидов синтетических жирных кислот фракции С10 – С16. Состав эмульсии: 10 % солярового масла, 89 % воды, 1 % эмульгатора. Удельный вес такой эмульсии составляет 0,95 – 0,98 гс/см3, вязкость – 350 сПз, статическое напряжение сдвига – 70 мгс/см3. Структурно-механические свойства эмултьсии зависят от соотношения гидрофобной жидкости (солярового масла) и воды (возрастают с увеличением количества воды, чем и вызван эффект предотвращения поглощения промывочной жидкости при бурении). При контакте с пластовыми водами в трещинах горных пород вязкость эмульсии резко увеличивается, что предупреждает поглощение промывочной жидкости и водопроявления пластовых вод.
Важным свойством гидрофобных эмульсий является их нейтральное отношение к солям, что обусловливает возможность их применения при бурении солесодержащих пород.
Диспергирование глинистых пород в эмульсии происходит очень медленно. Вязкость эмульсий при этом уменьшается.
Приготовление гидрофобных эмульсий осуществляется в глиномешалках.
При бурении в отложениях ангидрита и соли, а также в породах с высоким содержанием кальция применяют нефтеэмульсионные растворы типа «нефть в воде». Эмульгатором и стабилизатором в таких растворах служит солестойкий реагент – крахмал. Состав промывочной жидкости следующий: 76 % воды, 20 % моторной нефти, 4 % крахмала и 0,5 % каустической соды (от веса крахмала). Эмульсия имеет удельный вес около 1 гс/см3, водоотдачу 2 см3/30 мин, вязкость 30 с. Приготавливают нефтеэмульсионный раствор в глиномешалке путем размешивания в воде крахмального реагента с последующим введением нефти. Общее время приготовления эмульсии составляет 20-30 мин.
Известково-битумный раствор (ИБР) является безводным РУО (раствор на углеводородной основе), дисперсионной средой которого служит дизельное топливо или нефть, а дисперсной фазой – высокоокисленный битум, гидроокись кальция, барит и небольшое количество эмульгированной воды (3-5 %). Применяют при разбуривании легко набухающих, склонных к обвалам глинистых пород, разбуривании соленосных отложений, представленных высокорастворимыми солями (преимущественно поливалентных металлов), а также при вскрытии продуктивных пластов с низкими коллекторскими свойствами. Благодаря хорошим смазочным свойствам такой раствор повышает стойкость долот. Раствор обладает высокой термостойкостью (200-220 ºС); разработан в МИНХиГП им. И. М. Губкина. Содержание компонентов в 1 
ИБР различной степени утяжелителя приведено в табл.5.1.
Таблица 5.1
СоставИБР, кг на 1 раствора , плотностью
| Компоненты | ||||||||||||
| 1,2 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | 2,0 | 2,1 | 2,2 | 2,3 | ||
| Дизельное топливо марки ДЛ Битум Известь негашеная (CaO) Вода Сульфанол НП-3 или НП-1 Барит с влажностью ˂2 % |
-Учитывая непостоянство состава и свойств большинства исходных материалов, используемых для приготовления ИБР, указанный в табл. 5.1 компонентный состав в каждом конкретном случае уточняют в лаборатории. При этом оптимальное соотношение извести и битума должно варьировать от 1:1 до 2:1. Для ИБР характерны нулевая и близкая к ней фильтрация и содержание воды, не превышающее 2-3 %. Необходимое условие приготовления ИБР – возможность тщательного и интенсивного перемешивания исходных компонентов для равномерного распределения их в растворе, гидрофобизации твердой и эмульгированной водной фаз. Основное внимание уделяют равномерности ввода исходных компонентов, перемешиванию и нагреванию.
Эмульсионный известково-битумный раствор (ЭИБР) является инвертным эмульсионным раствором, приготавливаемым на основе известково-битумного раствора, содержащего в качестве дисперсной фазы минерализованную воду до 30-50 % и твердые компоненты (битум, известь, барит). Такой раствор по свойствам близок к ИБР, но имеет и некоторые отличия, обусловленные высоким содержанием воды. В частности, имеет более высокий показатель фильтрации и пониженную термостойкость (180 – 190 0С).
Параметры, характеризующие качество ЭИБР:
Электростабильность (напряжение электропробоя), В...........................................................250 – 300
Глиноемкость (максимальная добавка бентонита, не приводящая к снижению
электростабильности), %.........................................................................................................20
Показатель фильтрации, см3 за 30 мин................................................................................................1
Наличие воды в фильтрате..................................................................................................................Нет
Высококонцентрированный инвертно-эмульсионный раствор (ВИЭР) разработан и предназначен для бурения скважин с забойной температурой, не превышающей 70 0С. В указанных условиях ВИЭР устойчив при наличии большого количества выбуренной породы и отличается высокой стабильностью свойств.
Состав в расчете на 1 м3, в л: дизельное топливо или нефть – 450; водный раствор соли MgCl2, CaCl2 или NaCl – 450; СМАД – 30-40; эмульгатор (эмультал) – 15-20; бентонит (10-15) кг; барит – до получения необходимой плотности раствора.
Термостойкость такого раствора можно повысить введением в его состав окисленного битума в виде 15-20 %-го битумного концентрата. При температуре до 100 0С концентрация битума должна составлять 1 % (10 кг/1 м3), при 100-120 0С – 2 % (20 кг/1 м3), при более высокой температуре (140-150 0С) – 3 % (30 кг/1 м3).
Параметры, характеризующие качество ВИЭР:
Электростабильность, В.............................................................................................................................100
Глиноемкость, %............................................................................................................................................20
Показатель фильтрации, см3 за 30 мин....................................................................................................0,5
Наличие воды в фильтрате........................................................................................................................Нет
Термостойкий инвертно-эмульсионный раствор (ТИЭР) – раствор на основе омыленного солеогеля (жирных кислот окисленного петролатума), катионоактивных ПАВ и органофильных глин, получаемых путем модификации бентонита; предназначен для бурения скважин при забойной температуре до 200 0С. Преимущества этих растворов – низкая эффективная вязкость, высокая степень разжижения и хорошая выносная способность.
Оптимальные составы базового раствора с различным пределом термостойкости приведены в табл. 5.3, сведения о термостойкости утяжеленных эмульсий в зависимости от их плотности, водомасляного отношения и концентрации глины – в табл. 5.3
Таблица 5.3.
Составы и свойства ТИЭР
| Соотношение фаз (вода-масло) | Содержание мыльного эмульгатора, % | Концентрация бентонитовой глины, % | Предел термостойкости, 0С | |||
| СМАД | CaO | черкасской | саригюхской | асканской | ||
| 60 : 40 | 2,0 | 1,5 | 1,0 | |||
| 3,0 | 2,0 | 1,5 | ||||
| - | 3,0 | 2,0 | ||||
| 50 : 50 | - | 5,0 | 4,0 | |||
| 40 : 60 | - | 6,0 | 5,0 |
Таблица 5.4.