авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

Повышение эффективности ингибирования глинистых пород путем управления минерализацией буровых растворов

-- [ Страница 3 ] --

Графическое сравнение значений коэффициента активности и экспериментальных данных о скорости разрушения глины в растворах электролитов позволило сделать вывод о связи этих двух параметров растворов электролитов. Во всех случаях наблюдается обратная связь: скорость гидратации глины растет с уменьшением коэффициента активности и уменьшается с его увеличением (рис. 2).

 Зависимость коэффициента активности и коэффициента увлажнения от-8

Рисунок 2. Зависимость коэффициента активности и коэффициента увлажнения от концентрации раствора хлорида натрия

Пики максимума на графиках, иллюстрирующих интенсивность гидратации глины, соответствуют или близки точкам минимума на графиках изменения коэффициентов активности. В любом случае можно провести ось симметрии, в том числе и для электролитов, коэффициент активности которых с увеличением концентрации постоянно убывает (рис. 3).

 Зависимость коэффициента активности и коэффициента увлажнения от-9

Рисунок 3. Зависимость коэффициента активности и коэффициента увлажнения от концентрации раствора хлорида калия

Итак, имея перед глазами схему зависимости коэффициента активности от концентрации для растворов какой-либо соли, можно прогнозировать их поведение в отношении гидратации глин, имея лишь 2-3 экспериментальные точки.

При исследовании воздействия дисперсных систем и буровых растворов на интенсивность увлажнения образца хлорит-гидрослюдистой глины по той же методике были получены следующие данные (табл. 4).

Таблица 4 – Зависимость коэффициента скорости увлажнения образца за фиксированный промежуток времени от состава раствора

№ п/п Состав раствора Коэффициент увлажнения Кс
1 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); NaCl (2%) 1
2 Бентонит+вода (=1100 кг/м3) 0,85
3 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); NaCl (2%); УЩР (1г/л) 0,92
4 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); 2% MgCl2 (2%) 0,77
5 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); 2% СаCl2 (2%) 0,77
6 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); NaCl (2%); ПАА (0,05%) 0,77
7* Хлоркальциевый р-р: Бентонит до =1100 кг/м3; СаCl2 (1%); КССБ 5%, КМЦ 1%; изв. молоко 0,3% 0,69
8 Бентонит+вода (=1100 кг/м3); NaCl (2%); ПАА (0,05%); УЩР (1г/л) 0,62
9 Малоглинистый раствор I: суспензии 1020 кг/м3; ПАА 2 г/л; КМЦ 2 г/л; КОН до рН 8-9; KCl 2% 0,47
10* Лигносульфонатный р-р: Бентонит до =1100 кг/м3; КССБ 3%; КМЦ 0,3%; КОН 0,5% 0,46
11* Известковый р-р: Бентонит до =1100 кг/м3; КССБ 3%; КОН 0,5%; Изв. молоко 2,5% 0,46
12 Малоглинистый раствор II: суспензии 1020 кг/м3; Dextrit 4 г/л; PAC-R 3 г/л; КОН до рН 9; KCl 5% 0,41
13 Малоглинистый раствор IV: суспензии 1030 кг/м3; Dextrit 4 г/л; PAC-R 3 г/л; NaОН до рН 9; гипс 1% 0,4
14* Хлоркалиевый р-р: Бентонит до =1100 кг/м3; КCl (3%); КССБ 3%; КМЦ 0,5%; КОН 0,5% 0,38
15 Малоглинистый раствор III: суспензии 1020 кг/м3; Dextrit 4 г/л; PAC-R 3 г/л; КОН до рН 9; гипс 1% 0,38

* Традиционные составы буровых растворов (приведены для сравнения).

Анализ результатов исследований показал, что хлорид натрия (в данной концентрации) не только не снижает скорость пропитки образца, но, напротив, способствует ускорению этого процесса. Причиной являются ионы натрия, относительно легко проникающие в межплоскостное пространство глинистых минералов и выполняющие роль «ионных насосов», закачивающих воду.

Наиболее эффективными из приведенных для снижения скорости проникновения фильтрата в глину являются добавки солей двухвалентных ионов Mg2+, Ca2+. Результаты опытов показали, что ионы многовалентных металлов не способствуют проникновению молекул воды в глинистые структуры с малыми межплоскостными расстояниями и сами мало адсорбируются, в то время как одновалентные катионы проявляют «сверхадсорбционные» способности, т. е. наряду с ионным обменом имеет место преимущественное проникновение катионов в породу.

Добавление органических полимеров (ПАА, КМЦ), также способствуют снижению скорости пропитки, что, по-видимому, связано с модификацией поверхности глинистой породы и образованием фильтрационной корки, ограничивающей гидратацию и диспергирование глин.

Существенное снижение коэффициента увлажнения Кс и минимальные структурные изменения глинистого образца, подтвержденные результатами рентгенометрии, показали полимер-глинистые растворы, в состав которых включен гипс, что позволяет рекомендовать их для использования, в частности, для вскрытия литифицированных глинистых пород.

Изучение скорости пропитки образца до определенной глубины позволило косвенно установить влияние на увлажняющую способность растворов электролитов по отношению к глинам осмотического давления.

Для того чтобы установить действие осмотических сил, применены были те же методики исследования скорости увлажнения глинистых образцов. Учитывая, что скорость разрушения образца будет зависеть от концентрации раствора, можно сказать, что, если действие осмотических сил действительно имеет место, то с увеличением концентрации будет происходить замедление процесса гидратации.

Для сравнения взяты растворы хлорида калия с концентрацией 110 %. По результатам измерений построен график зависимости времени увлажнения глинистого образца (до 2, 4, 10 и 12 мм) от концентрации раствора (рис. 4).

На графиках видно, что с увеличением глубины пропитки разность концентраций растворов сказывается все в большей мере. Для отметок «2 мм» и «4 мм» графики имеют более сглаженный характер, т.е. на небольшой глубине от поверхности концентрация раствора электролита практически не оказывает влияния на скорость проникновения воды в систему капилляров и пор глины. Очевидно, что на этой глубине осмотические силы практически отсутствуют (в случае малой и средней степени увлажненности глин).

Однако с увеличением глубины пропитки образуется достаточно широкий увлажненный слой, в пределах которого возможно возникновение осмотических сил, некоторое время препятствующих дальнейшему прохождению воды в глубокие слои. Уже на глубине 10–12 мм от поверхности образца эта закономерность становится заметной.

 Время разрушения образца глины до различной глубины растворами хлорида-10

Рисунок 4. Время разрушения образца глины до различной глубины

растворами хлорида калия

Дальнейшее продвижение воды в породу обусловлено, видимо, разрушением порово-капиллярной системы на данном участке – ситуации, в которой осмотическое торможение дальнейшего продвижения воды вглубь неосуществимо. То есть продолжительность времени действия увлажненного слоя глины в роли полупроницаемой перегородки будет ограничена интенсивностью деструктивных изменений кристаллической структуры глинистых минералов, а также подвижностью ионов, создающих градиент концентраций на разных сторонах капилляров.

Таким образом, проблемой становится не только, а вернее не столько концентрация, сколько способность раствора электролита как можно дольше поддерживать целостность капиллярной системы породы.

В ходе исследования динамики увлажнения образца до окончательного его разрушения установлено, что вода проникает в глину неравномерно (рис. 5).

На графике отчетливо видны периоды остановки увлажнения образца, образующие «ступени», чередующиеся с периодами увеличения скорости пропитки. Аналогичная «ступенчатость» наблюдается и в опытах с раствором хлорида калия. Изменение динамики пропитки образца имеет волнообразный характер. Продолжительность пауз имеет тенденцию к росту с увеличением глубины пропитки. Достаточно стабильно разрушение глины задерживается на глубине не менее 9 мм от поверхности. А выраженность пауз (а именно их количество и продолжительность) растет с увеличением концентрации раствора (от 1 до 10 %). Это еще раз свидетельствует о наличии осмотических сил. Следует отметить, что изменение скорости увлажнения глинистых образов в межрелаксационный период с ростом концентрации, как показал эксперимент, не связано с изменением продолжительности периодов релаксации.

 Разрушение образца глины в растворе хлорида натрия (8%) Согласно гипотезе-11

Рисунок 5. Разрушение образца глины в растворе хлорида натрия (8%)

Согласно гипотезе О.К. Ангелопуло и других, роль полупроницаемой перегородки в приствольной зоне скважины выполняет слой, непосредственно контактирующий с раствором. В этом слое между буровым раствором и поровой жидкостью породы может установиться осмотическое равновесие, что и подтверждает данный эксперимент.

В этом случае должна соблюдаться закономерность: чем выше концентрация электролита, тем выше осмотическое давление раствора, тем дольше должен быть период «осмотической работы» слоя породы, контактирующего с раствором. Установлено, однако, что при дальнейшем повышении концентрации растворов не только не наблюдается снижения скорости гидратации глин, но в некоторых случаях, наоборот, разрушение породы ускоряется. Это объясняется тем, что высокое содержание электролита в растворе создает условия для ускорения химических процессов (в частности, комплексообразования), способствующих дальнейшему разрушению структуры глин. Таким образом, дальнейшее повышение концентрации какой-либо соли в буровом растворе выше определенного уровня (для определенной группы электролитов) не только не имеет смысла, но и в значительной мере снижает ингибирующие способности раствора.

Под действием расклинивающего давления воды и нарушения катионно-анионного равновесия в структуре глины верхний увлажненный слой разрушается. Причем в растворах солей одновалентных металлов (K+, Na+), это происходит не постепенно, а скачкообразно (это подтверждают и результаты буровой практики). Практически не выражен «ступенчатый» характер увлажнения при обработке глины растворами многовалентных металлов, поскольку в растворах с поливалентными катионами разрушение верхнего увлажненного слоя породы происходит постепенно. Данный факт может быть объяснен различной адсорбционной способностью катионов, а именно высокой способностью к проникновению в породу ионов К+ и Na+ и относительно малой способностью к адсорбции ионов Ca2+ и Mg2+. Таким образом, действие одновалентных катионов сказывается на достаточно большой глубине их проникновения: разрушается сразу целый слой породы (хотя механизм этого разрушения для солей калия и натрия различен). А действие поливалентных катионов ограничивается поверхностным слоем глины.

Проведенные исследования позволяют сформировать следующие рекомендации к концентрациям растворов солей, используемым для приготовления буровых растворов. По найденным закономерностям можно привести подобные рекомендации и для других солей, представленные табл. 5.

Таблица 5 – Рекомендации по электролитному составу фильтратов буровых растворов

Электролит Рекомендуемая концентрация
NaCl Не менее 10%
КCl 5-7%
CaCl2 Не менее 10%
MgCl2 Не менее 6%
MgSO4 Не менее 9 %
CaBr2 Не менее 11%
MgBr2 Не менее 7%
Na2SO4 Не менее 36% (только в сильноминерализованных растворах)
CH3COONa Не менее 8%

Использование одновалентных катионов в растворах, предназначенных для литифицированных глин, как показал весь комплекс исследований, должно быть ограничено, поскольку, втягиваясь в интенсивный ионный обмен, они вызывают максимальные структурные изменения глинистых и сопутствующих минералов.

Ионы многовалентных металлов в значительно меньшей степени адсорбируются глинистой породой, а также снижают интенсивность катион-обменных процессов в системе «глина-раствор». В этом случае происходят меньшие структурные нарушения, нежели с одновалентными катионами. Оптимально эти свойства проявляются при концентрациях, приведенных в табл.5. К тому же при достаточной высокой степени полупроницаемости они способствуют возникновению разности осмотических давлений на границе раздела между раствором и массивом породы, непосредственно не контактирующей с ним. Поэтому прежде, чем повышать минерализацию промывочной жидкости, необходимо обеспечить полупроницаемость фильтрационной корки и поверхностного слоя глинистой породы, контактирующей с раствором. Это возможно за счет использования полимеров (биополимеров и крахмальных реагентов) и добавления гипса. Последний одновременно играет кольматирующую роль, а также роль источника ионов кальция.

Нежелательно присутствие в фильтрате бурового раствора большого количества хлорид-ионов, дестабилизирующих глинистую породу. Присутствие карбонат-ионов индифферентно, а наличие фосфат-, сульфат- и ацетат-ионов способствуют повышению устойчивости глинистой породы к осыпанию.

Необходимо поддержание водородного показателя раствора на допустимо низком уровне (ограничивающим фактором являются процесс коррозии металлического оборудования, эффективность полимеров в зависимости от рН среды и деструкция карбонат-содержащих компонентов породы), т. е. около 79. Высокая щелочность (избыток ОН-) провоцирует ускорение ионообменного процесса, негативным последствием которого является дестабилизирующее действие гидроксид-ионов на межпакетные связи глинистых минералов и последующим диспергированием. Найденные выше закономерности применимы в случае обратимости ионообменных процессов в системе «буровой раствор – глинистая порода».

На основе комплекса исследований, включающих изменение ионного комплекса глины; рентгеноструктурные исследования; изучение скорости увлажнения глинистого образца, может быть рекомендован малоглинистый раствор, содержащий в своем составе высокомолекулярные реагенты (водорастворимые полисахариды, эфиры целлюлозы и акрилаты) – для модификации поверхности глины и упрочнения фильтрационной корки, и гипс – как адгезионный кольматант и источник некоторого количества ионов кальция. В частности, малоглинистый раствор следующего состава: бентонит до =1020 кг/м3; Dextrit 4 г/л; PAC-R 3 г/л; КОН до рН 9; гипс 1 %.

Основные выводы

1. Установлено, что объективным критерием интенсивности увлажнения глинистых пород при взаимодействии их с водными растворами может служить определяемый экспериментально коэффициент скорости увлажнения Кс.

2. Экспериментально установлено, что в случае обратимости ионообменных процессов в системе «глинистая порода-раствор» с ростом концентрации наблюдается обратная связь между коэффициентом активности электролита и коэффициентом скорости увлажнения Кс.

3. Установлено, что в случае необратимости ионообменных процессов в системе «буровой раствор-глинистая порода», т.е. при химической реакции, приводящей к образованию новых соединений, идет однонаправленный не поддающийся регулированию процесс кольматации породы за счет образования плохо растворимых соединений либо разрушения неглинистых минералов.

4. Установлено, что растворы некоторых электролитов стабилизируют структуру глин за счет снижения интенсивности ионообменных процессов в глинистых минералах. По убыванию этой способности электролиты ранжируются в следующий ряд (при равных эквивалентных концентрациях):

MgSO4 > KOH > MgCl2 > CaCl2 > KCl

5. Подтверждено, что добавление гипса, кольматирующего породу и являющегося источником ионов кальция, обеспечивает ингибирование гидратации литифицированных глин и повышает эффективность буровых растворов.

6. Установлено, что возникновение осмотических сил, противодействующих продвижению воды в породу, возможно при образовании увлажненного слоя глины не менее 10-12 мм. При меньшей толщине действие осмотических сил практически не сказывается. Таким образом, повышение минерализации раствора для поддержания высокого осмотического давления целесообразно лишь в том случае, когда состав фильтрата на длительное время способен обеспечить стабильность капиллярной системы увлажненной глинистой породы.

7. Установлено, что при использовании солей одновалентных металлов наблюдается ступенчатый характер гидратации литифицированных глинистых пород, обусловленный высокой подвижностью и адсорбционной способностью ионов калия и натрия. Продолжительность периодов релаксации растет с увеличением концентрации соли. Периоды релаксации чередуются с интенсивным разрушением породы, обусловленным диспергированием (пептизацией) глинистого минерала.

8. Доказано, что наличие в растворе анионов: сульфатов, фостатов и ацетатов – повышает ингибирующие свойства электролитов. Присутствие хлорид-ионов при прочих равных условиях, напротив, облегчает процессы разрушения глинистых пород.

9. Разработаны рекомендации по минерализации фильтрата и компонентному составу буровых растворов для вскрытия литифицированных глин.

10. Разработана методика оценки скорости увлажнения глинистых пород, которая в настоящее время используется в учебном процессе по дисциплине «Физико-химические методы борьбы с осложнениями».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

  1. Уляшева, Н.М. К вопросу увлажнения глинистых пород в водных растворах электролитов [Текст] / Н.М. Уляшева, И.В. Ивенина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2010. – № 4. – С. 24–27.
  2. Уляшева, Н.М. Влияние ионной силы раствора на скорость увлажнения глинистых пород [Текст] / Н.М. Уляшева, И.В. Ивенина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2010. – № 4. – С. 28–30.
  3. Ивенина, И.В. Регулирование состава и свойств буровых промывочных жидкостей для сохранения

    Pages:     | 1 | 2 ||
     





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.