Гранулометрическая классификация частиц

Важно понимать, как классифицируются твердые частицы бурового раствора, и какие типы частиц попадают в ту или иную категорию. Твердые частицы, присутствующие в буровых растворах, значительно отличаются по размеру: от мельчайших частиц глин (размером менее 1/25 400 дюйма) до очень крупных частиц выбуренной породы (их диаметр может превышать один дюйм). Из-за столь малого диаметра мелких частиц их приходится измерять в микронах. Микрон – это одна миллионная часть метра (1/1 000 000 или 1х10^{-6 м}). В 1 дюйме 25 400 микронов. По своим размерам твердые частицы подразделяются на следующие категории:

В Табл. 1, на Рис. 2 и 3 размеры частиц соотносятся с известными вещами, такими как размерами ячеек сит и устройствами системы очистки раствора, рассчитанными на удаления частиц определенного размера. От размера ячеек (в меш) сита зависит то, какого размера частицы будут удаляться виброситом. На Рис. 3 приводится изображение размеров ячеек сит в увеличенном масштабе от 20 до 325 меш, а также размер частиц (в микронах), которые свободно пройдут через каждое из сит. Для классификации песка по методике API Sand Test используется сито с размером ячеек 200 меш. Песком считаются все частицы размером более 74 микрона, не прошедшие через сито. 97% качественного барита (<74 микрона) пройдут через сито с размером ячеек 200 меш, 95% частиц барита пройдут через сито 325 меш (<44 микрона). Таким образом, большая часть частиц барита попадает в ту же категорию, что и ил. Высококачественные глины, такие как M-I GEL™ попадают в категорию коллоидов, т.е. размер их частиц – 2 микрона и менее.

Табл. 1. Классификация твердых частиц по размеру.

При гранулометрической классификации твердых частиц состав исследуемого материала не учитывается, несмотря на использование терминов «песок» или «ил». Например, частицы, попадающие в категорию ила, могут быть глиной, тонкозернистым песком, карбонатами или баритом. Частицы из категории «песок» могут оказаться как собственно песком, так и глиной, карбонатами, буровым шламом или кольматантом, или крупнозернистым баритом. В категорию коллоидов входит бентонит и прочие глины, очень мелкие частицы выбуренной породы (глины, песок и карбонаты) и мелкозернистый барит.

В целом термин «глина» используется для обозначения высококачественных глинистых минералов, таких как вайомингский бентонит, которые добавляются в буровой раствор для увеличения вязкости и улучшения качества фильтрационной корки. Однако буровой шлам, барит и другие твердые частицы так же способствуют увеличению вязкости, особенно если размер частиц соответствует категории коллоидов. Рис. 4 иллюстрирует влияние размеров твердых частиц на площадь поверхности при неизменном объеме. Если бы частица являлась кубом со сторонами 40 микрон, площадь поверхности равнялась бы 9 600 кв. микронов. Если куб со сторонами 40 микрон разделить на кубы со сторонами 1 микрон, количество частиц возросло бы до 64 000, а площадь поверхности была бы равна 384 000 кв. микрон, что в 40 раз больше первоначальной площади поверхности. При уменьшении размеров частицы общий объем твердой фазы остался неизменен. Необходимо помнить и о том, что толщина одной пластинки глины составляет лишь 10 ангстремов. Один ангстрем равен 1/10 000 части микрона, или 1х10^{-10 м. Если бы 40-микронный куб разрезали на слои, толщина которых равнялась бы толщине пластинок глины, то количество частиц было бы не так велико – всего 40 000. Однако площадь поверхности возросла бы до 128 006 400 кв. микронов, что в 13 334 раза больше первоначальной.}

Вязкость бурового раствора пропорциональна площади поверхности частиц твердой фазы. Поверхность всех твердых частиц подвергается смачиванию. Так как количество свободной жидкости снижается по мере роста площади поверхности, увеличивается вязкость раствора и его качество ухудшается. Благодаря большой площади поверхности твердые частицы из категории коллоидов сильнее всего влияют на вязкость раствора. Поэтому в целях экономии средств и для обеспечения высокой эффективности раствора необходимо контролировать содержание в нем мелких частиц твердой фазы.

Рис. 4. Зависимость площади поверхности от размеров частиц.