Физические методы регулирования свойств дисперсных систем

К физическим способам регулирования свойств промывоч­ных жидкостей относятся: 1) изменение соотношения между содержанием активной твердой фазы и дисперсионной среды (разбавление, концентрация); 2) диспергация твердой фазы в растворе; 3) увеличение содержания твердой фазы (утяжеле­ние); 4) насыщение промывочной жидкости воздухом (аэрация); 5) введение инертных наполнителей для придания заку­поривающих свойств.

Первые два способа используются для регулирования струк­турно-механических и фильтрационных свойств, третий и чет­вертый — для регулирования плотности; пятый — для регулиро­вания закупоривающих свойств.

Нормальная концентрация дисперсной фазы обусловлена требованиями к совокупности свойств, определяемых ее содер­жанием и дисперсностью. Увеличение концентрации дисперсной фазы вызывает рост структурно-механических свойств и плот­ности промывочной жидкости, понижение показателя фильтра­ции. Интенсивность изменения свойств зависит от вида твердой фазы. Так, если дисперсная фаза представлена высококачест­венной глиной, то 7—10% ее может считаться нормальным со­держанием, в случае использования низкокачественных глин для получения тех же структурно-механических свойств может оказаться недостаточным и 30% твердой фазы. Характер из­менения свойств промывочной жидкости в зависимости от кон­центрации твердой фазы, например дружковской глины, приве­ден на рис. 30.

Для оценки ожидаемых свойств промывочной жидкости при увеличении содержания дисперсной фазы необходимо экспери­ментально получить зависимости, подобные приведенным выше, и, исходя из конкретных условий, выбирать ту или иную кон­центрацию.

Увеличивать концентрацию дисперсной фазы в процессе бу­рения можно путем приготовления более концентрированного раствора и последующего перемешивания в циркуляционной си­стеме скважины с используемой промывочной жидкостью. Есте­ственное увеличение концентрации дисперсной фазы происходит за счет поступления в промывочную жидкость наиболее мелких частиц разбуриваемых горных пород в качестве активного ком­понента. Степень влияния этого фактора на структурно-меха­нические и фильтрационные свойства промывочной жидкости обусловлена дисперсностью частиц, минеральным составом и степенью метаморфизма пород.

Рис. 30. Зависимость свойств про­мывочной жидкости от содержа­ния твердой фазы

Перспективно центрифугиро­вание жидкостей, в процессе ко­торого происходит интенсивное отделение жидкой фазы. Чаще в практике разведочного бурения пользуются разбавлением дис­персной системы водой с целью понижения структурно-механи­ческих свойств промывочной жидкости. Такое разбавление всегда сопровождается повыше­нием показателя фильтрации, что, как правило, нежелательно. Следует иметь в виду, что раз­бавление водой существенно сни­жает структурно-механические свойства промывочных жидкостей и в первую очередь глинистых. При одной и той же плотности растворов, приготовленных сме­шиванием компонентов и полученных разбавлением более плот­ного, структурно-механические свойства последнего будут ниже.

Лишь в процессе длительного перемешивания разбавленной промывочной жидкости ее структурно-механические параметры возрастут, но равными параметрами неразбавленного раствора той же плотности не будут долго. Это объясняется тем, что наи­более активно вода связывается в процессе диспергации твердой фазы. Последующие добавки ее не приводят к быстрому суще­ственному перераспределению объемов связанной и свободной воды. Поэтому пользоваться разбавлением водой нужно осто­рожно, проведя предварительно соответствующие опыты в лабо­раторных условиях и выполнив необходимые измерения.

При регулировании структурно-механических свойств про­мывочной жидкости разбавлением в процессе бурения вследст­вие резкого разжижения дисперсной системы будет интенсивно выпадать шлам в циркуляционной системе скважины. В широ­ких пределах структурно-механические свойства, устойчивость дисперсных систем и в первую очередь глинистых растворов регулируются повышением степени дисперсности компонентов. При этом у промывочных жидкостей с твердой фазой снижается показатель фильтрации. С этой целью промывочную жидкость дополнительно обрабатывают в специальных устройствах — дис-пергаторах.

При приготовлении промывочной жидкости происходит пер­вичное измельчение дисперсной фазы. Дисперсность дисперги­руемой фазы будет зависеть от ее вида и качества, исходных размеров частиц, способа и длительности измельчения и других факторов. Однако полной диспергации в процессе приготовле­ния не происходит. Наиболее сложные процессы идут при до­полнительном диспергировании твердой фазы. Их физико-механическая сущность сводится к следующему. Значительная масса частиц твердой фазы в исходной дисперсной системе представ­ляет собой агрегаты мелкодисперсных частиц размером до 100 мкм. Под воздействием нагрузок эти агрегаты разрушают­ся, открывая доступ к сухим поверхностям. Вследствие адсорб­ционного понижения твердости и расклинивающего давления происходит расщепление материала с образованием более мел­ких частиц.

Разрушение агрегатов частиц приводит к освобождению ак­тивных минералов, блокированных в более инертных массах, образованию ненасыщенных оборванных связей в местах изло­мов частиц, к некомпенсированности их зарядов. Наличие в жидкой фазе поверхностно-активных веществ способствует пептизации. Последняя резко усиливается при напряженном со­стоянии частиц твердой фазы, особенно если оно ведет к появ­лению или раскрытию дефектов структур. Имеет значение и пе­риодичность силовых воздействий.

Затраты энергии на измельчение зависят от конечной дис­персности измельчаемого материала. Совокупное влияние фак­торов, сопутствующих реальному процессу измельчения, на­столько сложное, что нельзя определить оптимальную энергоем­кость процесса дополнительного диспергирования только на ос­нове физических свойств измельчаемого материала.

Как показывают данные многочисленных исследований, для каждого реального диспергирующего устройства существует оп­ределенная длительность процесса, увеличение которой уже не приводит к дальнейшему диспергированию твердых частиц и изменению свойств дисперсной системы. Механические воздей­ствия для этого слишком кратковременны, прилагаются лишь к сравнительно небольшой части твердой фазы и существенно обесцениваются защитным действием водной среды и гидратных слоев на частицах. На увеличение дисперсности частиц начина­ет влиять и увеличение энергоемкости разрушения с уменьше­нием размеров твердой фазы.

Таким образом, требования, обусловливающие максимальный эффект воздействия на дисперсную систему с твердой фазой при диспергировании, сводятся к следующему:

оптимальная частота воздействия на минерал, в результате чего раскрываются дефекты структуры и появляются новые трещины;

рациональная удельная интенсивность воздействия на твер­дую фазу промывочной жидкости;

одновременное воздействие механического и пептизационного факторов;

оптимальное время контакта частиц с активной зоной разру­шения (оптимальное время диспергирования).

Дополнительной диспергацией твердой фазы можно при од­ном и том же ее содержании в 2—3 раза увеличить структурную вязкость, в 6—9 раз — динамическое напряжение сдвига, в 1,5 раза уменьшить водоотдачу, кроме того уменьшается содержа­ние песка, улучшается стабильность (суточный отстой и ста­бильность могут равняться нулю). Процесс диспергирования позволяет сократить количество твердой фазы в промывочной жидкости при заданных структурно-механических свойствах. Чем ниже качество глины, тем значительнее эффект дисперги­рования.

Для повышения плотности промывочной жидкости в первую очередь стремятся увеличить содержание исходной твердой фа­зы. Однако это сопровождается нежелательным увеличением структурно-механических свойств жидкости. Чем выше качест­во твердой фазы, тем интенсивнее растут реологические харак­теристики промывочной жидкости и при определенном содер­жании твердой фазы возрастают до недопустимых значений. Так, увеличением содержания высококачественной глины мож­но получить плотность около 1,2 г/см³, при использовании низ­кокачественных глин — до 1,35 г/см³.

Промывочные жидкости утяжеляют специальными высоко-диспергированными инертными материалами высокой плотно­сти — утяжелителями. Это не просто наполнители, они сущест­венно влияют на структурно-механические свойства промывоч­ных жидкостей. Во-первых, для удержания частиц наполнителя жидкость должна иметь определенные структурно-механические свойства и в первую очередь статическое напряжение сдвига. Во-вторых, введение утяжелителя существенно увеличивает рео­логические свойства, но в то же время ограничивает возможно­сти их регулирования. Даже небольшое разжижение дисперсной системы может вызвать выпадение утяжелителя в осадок и при­хват бурильного инструмента в скважине.

Утяжелители позволяют регулировать плотность промывоч­ных жидкостей в широких пределах (до 2,2 г/см³ и даже более). Поэтому основной метод повышения плотности — введение утя­желителей.

Плотность промывочной жидкости понижают двумя метода­ми: 1) уменьшением содержания твердой фазы; 2) насыщением жидкости воздухом (аэрацией). Возможности первого метода ограничены наличием и концентрацией твердой фазы, а также необходимостью иметь определенные структурно-механические свойства дисперсной системы. Пределы изменения плотности здесь несущественны (0,05—0,2 г/см³) в зависимости от каче­ства твердой фазы.

Аэрация позволяет уменьшить плотность любых промывоч­ных жидкостей в широких пределах (практически до величин, близких к плотности воздуха). При этом возрастают реологиче­ские свойства промывочного агента, так как воздушные пузырь­ки играют роль наполнителя — твердой фазы. Изменение вяз­кости аэрированной жидкости с концентрацией воздуха от 0 до 54% можно оценить по следующей формуле:

µ_а = µ_и(1 + 3,6 С), (IV.1)

при концентрации от 54 до 96%

μ_а = μ_и•1/(1- С^0,49). (IV.2)

Здесь μ_а, μ_и — вязкости соот­ветственно аэрированной и ис­ходной жидкостей; С — концент­рация воздуха.

Рис. 31. Зависимость свойств промывочных жидкостей при аэ­рации: р, η, τ ₀ — исходная промывочная жид­кость;р ',η ', τ' — промывочная жид­кость с активной твердой фазой, пред­ ставленной глинистым сланцем

В дисперсных аэрированных системах с твердой фазой возра­стают динамическое и статиче­ское напряжения сдвига. Харак­тер их изменения зависит от ка­чества твердой фазы и степени дисперсности воздуха. Чем выше качество активной твердой фазы и выше степень дисперсности воз­духа, тем интенсивнее растут τ₀ и θ с ростом содержания воздуха. Так степень дисперсности возду­ха практически не регулируется,

учесть ее влияние очень трудно, что еще более осложняет оцен­ку изменения реологических свойств дисперсных промывочных жидкостей с твердой фазой при аэрации.

На рис. 31 приведен характер изменения свойств некоторых промывочных жидкостей с твердой фазой при аэрации. Кривые η,τ₀, p, получены для жидкости, содержащей в качестве актив­ной фазы дружковскую глину, кривые η ',τ₀ ', р ' — для жидкости, содержащей в качестве активной фазы выбуренную породу {глинистый сланец).

Плотность аэрированной жидкости обусловлена требуемым снижением гидростатического давления и глубиной скважины. Зависимость плотности аэрированной жидкости от давления определяется формулой

где р_о, р — плотность соответственно аэрированной и исходной промывочных жидкостей; а- —количество воздуха (газа), со­держащегося в единице объема аэрированной жидкости; р ₀ , р — давление соответственно атмосферное и заданное.

На рис. 32 приведен характер изменения плотности и гидро­статического давления аэрированной воды с глубиной.

Гидростатическое давление аэрированной жидкости р на глубине h определяется из следующего соотношения, получен­ного для статических условий:

Аэрация жидкости применяется чаще всего при бурении в условиях поглощения, когда требуется уравновесить пластовое давление в поглощающей зоне с давлением в скважине. Кон­кретные условия определяют величину плотности аэрированной жидкости, которая может быть аналитически рассчитана как ис­ходная на поверхности только в статике. В процессе бурения к гидростатическому давлению добавляется давление, обуслов­ленное гидравлическими сопротивлениями при циркуляции про­мывочной жидкости. Поэтому ее плотность должна быть мень­ше расчетной. В определенных условиях повышение реологиче­ских свойств при наличии воздушной фазы может свести эф­фект аэрации к нулю. Для воды эта связь менее существенна, чем для дисперсных систем с твердой фазой.

Пределы регулирования плотности жидкости аэрацией оп­ределяются геолого-техническими условиями бурения, видом исходной жидкости, способом аэрации.

Для придания промывочной жидкости способности закупо­ривать поры и трещины в нее вводят инертные наполнители. Эффективность закупоривания определяется размером частиц и их формой, фракционным составом наполнителя, его концентра­цией и видом исходного материала.

Наиболее важное значение имеет правильная сортировка частиц по размерам и выбор оптимального фракционного со­става. Считается, что для надежного закупоривания каналов ухода максимальные размеры частиц наполнителя должны быть в 2 раза меньше величины раскрытия трещин. Вследствие разнообразия форм частиц наполнителя такие рекомендации носят слишком общий характер. Поэтому для оценки закупоривающей способности различных материалов в каналах различ­ной формы и раскрытия широко используются эксперименталь­ные методы. Раздельно оценивается закупоривающая способ­ность в порах, трещинах с параллельными гранями и клиновид­ных трещинах. Обычно для каждого размера частиц, для каж­дой формы частиц наполнителя существует критический раз­мер щели. В то же время надежны комбинации разноразмер­ных частиц.

При определенном сочетании частиц различных размеров наполнители дают наибольший эффект. Крупные частицы со­здают основу тампона в трещине, а мелкие уменьшают его про­ницаемость, повышают устойчивость. Соотношение размеров можно получить только экспериментальным путем. Закупори­вающая способность наполнителя изменяется лишь при малых концентрациях материала. С ростом концентрации ее влияние становится менее существенным и, наконец, перестает сказы­ваться.

Ряд наполнителей, несмотря на то что в литературе они на­зываются инертными, таковыми не являются. В первую оче­редь это относится к закупоривающим материалам раститель­ного происхождения. Непосредственно на реологические свой­ства раствора они влияют несущественно. Однако, впитывая во­ду, они уменьшают объем жидкой фазы раствора. Относитель­ный объем твердой фазы увеличивается, что может привести к резкому росту вязкости и статического напряжения сдвига. В последние годы начали интенсивно развиваться новые методы физического воздействия на дисперсные промывочные жидкости с целью регулирования их свойств. Это — так назы­ваемая активация промывочных жидкостей, с помощью которой регулируются главным образом реологические и фильтрацион­ные параметры дисперсных систем.

Наиболее перспективны: вибровоздействие, обработка элект­рическим током, обработка магнитным полем. Вибровоздействие представляет собой обработку вибрационным полем в форме гидроударных импульсов определенной частоты. Эффект воз­действия здесь реализуется за счет дополнительного дисперги­рования твердой фазы. При обработке электрическим током за счет наложения на промывочную жидкость знакопеременных воздействий происходят электрофорез, электроосмос и другие явления, существенно влияющие на процессы коагуляции, диспергации, физические свойства воды.

Обработка магнитным полем в основном связана с воздей­ствием на воду как дисперсионную среду. Механизм влияния магнитного поля на вещества, содержащие воду, до конца не изучен. Считается, что он связан со структурными изменениями в веществе, возникающими в результате ориентирующего или поляризующего действия магнитного поля. Диапазон изменения свойств промывочных жидкостей при их обработке указанными методами пока ограничен.

Дата добавления: 2015-07-15