Исследование влияния химических реагентов и буровых растворов на адгезионное взаимодействие на стенках скважины

Основными факторами, противодействующими движению бурильного инструмента в скважине и обуславливающими затяжки и прихваты, считают адгезионное и фрикционное взаимодействие.

Адгезия (лат. adhaesio – притяжение, сцепление, прилипание) – поверхностное явление, которое заключается в возникновении механической прочности при контакте поверхностей двух различных веществ. Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих веществ или их химическое взаимодействие. Термодинамической характеристикой адгезии служит работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих сред, например, для полного отделение капли жидкости от твердой поверхности.

Применительно к бурению адгезионное взаимодействие можно наблюдать при контакте бурильного инструмента со стенками скважины (что является одной из причин прихватов бурильного инструмента), твердой фазы буровых растворов и выбуренной породы с элементами бурильного инструмента (образование сальников) и при взаимодействии агрегатов в массиве горной породы (что может являться причиной обвалообразования в неустойчивых литифицированных глинистых отложениях). Поэтому основными системами при исследовании адгезионного взаимодействия можно рассматривать такие системы как: «горная порода - металл», «глинистая корка – металл», «горная порода – горная порода».

Следует отметить, что с точки зрения предупреждения прихвата бурильного инструмента обработка буровых растворов должна быть направлена на снижение адгезионного взаимодействия. Наиболее действенным методом является введение в буровой раствор смазочных добавок. Характеристика наиболее распространенных из них представлена в таблице 4.

Таблица 4 – Смазочные добавки

Название	Характеристика
ФК-2000	смазочная добавка на основе омыленных жирных кислот растительных масел
СПРИНТ-33	смазывающая добавка на основе технического жира
FK-LUBE	смесь анионных поверхностно-активных веществ и полезных добавок, диспергированных в воде
BARO-LUBE	смесь поверхностно-активных и смазочных веществ, специально разработана как эффективная альтернатива смазывающим веществам на углеводородной основе для областей применения, где природоохранные требования запрещают использование материалов на углеводородной основе
STICK-LESS TORQUE-LESS	стеклянные шарики, изготавливаемые из высокосортного, стойкого к растрескиванию, закаленного кронгласа, функционирует по принципу шарикового подшипника, не подверженного разрушению при избыточных давлениях
Drill-Free	экологически чистая смазывающая добавка на основе модифицированных растительных масел для всех типов буровых растворов на водной основе, снижает водоотдачу и улучшает качество и прочность фильтрационной корки буровых растворов
ИКЛУБ (IKLUBE)	анионная смесь жиров и специальных добавок, представляет собой смазывающую добавку для буровых растворов, улучшающую их характеристики. адсорбируется на металлических поверхностях, образуя прочную смазывающую пленку

Кроме смазочных добавок на величину адгезионного взаимодействия влияют большое количество факторов:

- перепад давления в скважине – при увеличения перепада давления на 20 – 40 кг/см², адгезия возрастает более чем в 10 раз;

- длительность контакта - адгезионное упрочнение контактов при взаимодействии бурильных труб с глинистой коркой интенсивно растет в первые 30 – 40 минут контакта и далее изменяется незначительно;

- площадь контакта - находится в прямой зависимости с величиной адгезионного взаимодействия;

- утяжеление бурового раствора – приводит к увеличению адгезии в 6 – 7 раз;

- свойства глинистой корки – чем прочнее структура глинистой корки, тем больше величина адгезии.

Для сохранения устойчивости стенок скважины, наоборот, необходимо увеличивать адгезионное взаимодействие между агрегатами в массиве горной породы. Фильтрат бурового раствора или сам раствор, проникая в пласт по системе микро- и макротрещин, снижает сцепление между контактирующими поверхностями. Это подтверждает и практика бурения, например, обработка буровых растворов нефтяными смазочными добавками приводит к увеличению обвало- и кавернообразования в интервалах неустойчивых литифицированных глинистых пород (аргиллитов, мергелей). Увеличению сцепления агрегатов горных пород будет способствовать обработка бурового раствора такими химическими реагентами как жидкое стекло, сульфат алюминия, гидроксид магния, которые за счет образования новых кристаллизационных структур на поверхности горной породы увеличивают адгезионное сцепление.

Цель работы – изучить влияние химических реагентов на адгезионное взаимодействие в системах «метал - порода», «порода - порода».

Конструктивные особенности и принцип работы на приборе ВСВ-25:

Принцип работы прибора ВСВ-25 (Рис. 1. 2) заключается в создании регистрируемых нагрузок - вертикальной (до 1 тс) и горизонтальной (до 0.2 тс) - на образец, вкладываемый в гнездо прибора. Исследуемые образцы представляют собой два одинаковых прямоугольных параллелепипеда из интересуемого материала размером 20 мм ´ 11 мм ´ 70 мм, которые пришлифовываются друг к другу одной из больших плоскостей. При вкладывании образцов пары трения в соответствующие пазы вставок гнезда, грани трения образцов должны выступать над поверхностью вставок на 2-3 мм для того, чтобы во время опытов контактировали между собой не вставки гнезда, а только сами образцы.

Рис. 1. Прибор ВСВ- 25

Рис. 2. Пара трения прибора ВСВ- 25

Исследования проводятся по следующей методике:

· тележка находится в исходном положении;

· ориентируясь по метке, устанавливается нижняя часть вставки гнезда;

· устанавливается муфта с резьбой и кольцом на резьбе;

· в паз нижней части вставки гнезда, ориентируясь по метке, вкладывается нижний образец пары, гранью трения вверх;

· на рабочую поверхность нижнего образца наносится испытуемый флюид;

· сверху, ориентируясь по метке, гранью трения вниз устанавливается верхний образец пары и на него одевается верхняя часть вставки гнезда;

· сверху устанавливается пружина с индикатором часового типа и устанавливается заданная нормальная нагрузка;

· посредством бокового ручного привода производится фиксирующееся нагружение боковой пружины до тех пор, пока не произойдет срыв (сдвиг) нижнего образца относительно верхнего. И так до тех пор, пока путь трения не составит 1 мм (100 делений индикатора). Такой величины достаточно для сравнения и, в то же время, она не слишком велика, чтобы погрешности изготовления образцов и вставок гнезда могли оказывать на результаты опыта большое влияние.

Порядок работы:

1. Готовятся образцы пары трения размером 20 мм ´ 11 мм ´ 70 мм (материал для изготовления образцов задается преподавателем).

2. Готовится среда трения (буровые растворы или растворы химических реагентов).

3. На приборе ВСВ-25 определяют нормальное и фронтальное напряжения срыва (сдвига) и заносят их в таблицу 5.

4. По формуле 1 вычисляют коэффициент адгезионного сцепления:

, (1)

где σ_nср и σ_fср – соответственно, нормальное и фронтальное напряжения срыва.

Таблица 5 – Результаты исследований

Пара трения –

№ п/п	Среда трения	№ парного опыта	σnср	σfср	Ка

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение адгезионным свойствам бурового раствора.

2. Какие факторы оказывают влияние на адгезионные свойства растворов и глинистых корок.

3. Какие осложнения в процессе бурения связаны с адгезионными свойствами раствора.

4. Назовите химические реагенты, изменяющие адгезинные свойства бурового раствора.

5. Охарактеризуйте используемые химические реагенты.

6. Охарактеризуйте полученные результаты исследований.

Дата добавления: 2015-09-07