Полімерхлоркалієві розчини

Лабораторна робота № 1

Призначення, основні складові бурового розчину, їх оптимальні домішки

Мета роботи: вивчити призначення, оптимальні домішки хімічних реагентів, які використовують для регулювання параметрів бурового розчину.

Нагадаємо ще раз основні функції бурових розчинів: транспортування вибуреної породи з вибою на поверхню, створення гідростатичного тиску у свердловині, утримання у змуленому стані частинок вибуреної породи після припинення циркуляції, утворення фільтраційної кірки на стінках свердловини, охолодження долота, передача енергії від насосів до вибійних двигунів, сприяння руйнуванню гірських порід, запобігання корозії бурильних труб, зменшення ваги колони труб та інші. При бурінні в ускладнених умовах бурові розчини додатково сприяють підвищенню стійкості стінок свердловини, запобігають набуханню глинистих порід, звуженню ствола свердловини, зменшують сили тертя бурильної колони зі стінками свердловини, закупорюють канали поглинаючих горизонтів, зменшують розчинність солей, які знаходяться в розбурюваних породах.

На сьогоднішній час для буріння нафтових і газових свердловин застосовують понад 25 типів бурових розчинів. Вибір того чи іншого типу розчину залежить від конкретних умов буріння свердловини. Запам’ятати склад і рецептуру такої великої гами бурових розчинів важко. З метою покращання запам’ятовування складу і рецептури того чи іншого бурового розчину пропонуємо студенту спочатку ретельно вивчити склад інгібуючого розчину та оптимальний вміст хімічних реагентів, які застосовують для регулювання параметрів розчину.

Вивчивши інгібуючий розчин, як найбільш розповсюджений у практиці буріння свердловин, студентові буде значно легше запам’ятовувати склад інших типів бурових розчинів, вивчаючи тільки їх відмінності від інгібуючого розчину.

Отже, склад інгібуючого розчину такий:

1 Вода (Н₂О) – дисперсійне середовище.

2 Порошок бентонітовий (ПБ) – структуроутворювач, частково зв’язує вільну воду.

3 Регулятор рН (NaOH – каустична сода, КОН – їдке калі, Са(ОН)₂ – гашене вапно).

4 Понижувач фільтрації – (КМЦ - карбоксиметилцелюлоза, ЕКР – екструзивний крохмаль, ПВЛР - порошкоподібний вуглелужний реагент, гіпан – гідролізований поліакрилонітрил, КССБ – конденсована сульфіт-спиртова барда та інші).

5 Понижувач умовної в’язкості (ССБ - сульфіт-спиртова барда, ФХЛС – ферохромлігносульфонат (10-20% водний розчин), КССБ (10% водний розчин), ПВЛР (10% водний розчин), окзил).

6 Інгібітор (СаСl₂ – хлористий кальцій, КСl – хлористий калій, CaSO₄ ^. 2H₂O - гіпс, CaO - вапно та інші).

Наведені вище речовини є головними складовими, які суттєво впливають на властивості розчину.

Додатковими складовими у більшості розчинів слугують такі речовини:

1 Піногасник (МАС-200 – модифікований аеросил з питомою поверхнею 200 м²/кг, ГС – гумова суспензія, ПЕС – поліетиленова суспензія та інші).

2 Мастильна домішка (нафта, ЗМАД-1, кофос, лабрикол та інші).

3 Обважнювач (CaCO₃ – крейда, Fe₂O₃ - гематит, Fe₃O₄ - магнетит, ВaSO₄ – барит, КБ – концентрат бариту, ОБПМ – обважнювач баритовий модифікований).

Оптимальні домішки найбільш розповсюджених реагентів наведемо у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 - Оптимальні домішки найбільш розповсюджених реагентів

Назва хімічного реагента	Оптимальна домішка
NaOH, КОН, Са(ОН)₂	до 5 кг/м³
КМЦ	2-20 кг/м³
ЕКР	10-30 кг/м³
ПВЛР	10-50 кг/м³
Гіпан	20-200 л/м³ (10% водного розчину)
КССБ	10-50 кг/м³
ССБ	10-50 кг/м³
ФХЛС	20-30 кг/м³

Закінчення таблиці 1.1

Назва хімічного реагента	Оптимальна домішка
Окзил	10-40 л/м³ (10% водного розчину)
СаСl₂	10-20 кг/м³
КСl	30-70 кг/м³
CaSO₄^.2H₂O	10-25 кг/м³
Na₂SіO₃	40-100 л/м³ (50% товарного продукту)
МАС-200, ГС, ПЕС	1-5 л/м³ (5% розчину у дизельному паливі)
Нафта	60-80 л/м³
Кофос	30-40 л/м³
Лабрикол	20-50 кг/м³
CaCO₃ -, Fe₂O₃ -, Fe₃O₄, КБ, ОБПМ	за розрахунком

Примітка. Мінімальна домішка реагентів характерна в більшості випадків для прісних розчинів і низьких температур, максимальна - для соленасичених розчинів і високих температур.

Запам’ятавши наведені вище дані, записати склад і рецептуру будь-якого інгібуючого розчину буде легко. Для прикладу наведемо склад і рецептуру хлоркальцієвого розчину із розрахунку на 1 м³:

1 Н₂О – решта.

2 ПБ – 60-70 кг/м³.

3 NaOH – до 5 кг/м³.

4 КМЦ – 8-10 кг/м³.

5 КССБ - 30-50 кг/м³.

6 СаСl₂ - 15 кг/м³.

7 МАС-200 – 5 л.

8 Нафта – 70 л.

9 ОБПМ-1 – за розрахунком.

Порядок виконання роботи

1 За вказівкою викладача студент отримує перелік з п’яти хімічних реагентів.

2 Дати характеристику кожного хімічного реагента, вказати оптимальну домішку.

3 Завдання оформити у вигляді таблиці, взірець якої наведено нижче.

4 Зробити короткі висновки щодо переваг та недоліків заданих хімічних реагентів.

Таблиця 1.2 – характеристика хімічних реагентів

Назва хімічного реагента	Призначення	Оптимальна дормішка, %

Контрольні запитання

1 Які основні функції бурових розчинів?

2 Описати склад інгібуючого розчину.

3 Які реагенти рекомендується додавати до бурових розчинів для пониження фільтрації?

4 Які реагенти рекомендується додавати до бурових розчинів для пониження умовної в’язкості?

5 Які ви знаєте реагенти-інгібітори?

6 Які реагенти застосовують для покращання мастильних властивостей?

7 Які ви знаєте реагенти-піногасники?

8 Які ви знаєте реагенти-регулятори рН бурових розчинів?

9 Які ви знаєте обважнювачі?

Хлоркальцієві розчини

Мета роботи: вивчити призначення, склад одного кубометра, порядок приготування та регулювання параметрів хлоркальцієвого розчину.

Розчин, у якому інгібітором глинистої фази є хлористий кальцій, називають хлоркальцієвим.

Розчинність хлористого кальцію у порівнянні з вапном або гіпсом, значно більша і при нормальній температурі становить приблизно 42%, а при 100°С - 61,4% від об’єму розчинника.

Збільшення концентрації іонів кальцію підсилює не тільки інгібуючу дію бурової промивальної рідини, але і зміцнює глинисті породи, які схильні до обвалювання та осипання.

Область застосування. Найбільше хлоркальцієві розчини використовують для розбурювання гіпсоангідритових та аргілітових відкладів, які схильні до обвалювання та осипання. ХКР також стійкі при розбурюванні цементних мостів і слабких проявів пластових мінералізованих вод. зі збільшенням вмісту іонів кальцію в обмінному комплексі природних глинистих порід ефективність ХКР зменшується і досягає найменшого значення в кальцієвих природних глинах. Термостійкість хлоркальцієвих розчинів не перевищує 120°С тому, що в ньому відсутні хімреагенти понижувачі фільтрації, які були б стійкі до іонів кальцію.

Склад розчину. Для приготування 1 м³ розчину необхідно:

1 Н₂О – решта;

2 ПБ - 60¸80 кг;

3 КМЦ – 10¸15 кг;

4 КССБ - 30¸40 кг;

5 – 2¸5 кг;

6 - 5¸15 кг;

7 МАС-200 – 3¸5 л (5% вуглеводневої суспензії).

Для підвищення мастильних властивостей розчину рекомендується додавати 60¸80 л нафти і 10¸15 кг графіту. Обважнювач вводять в розчин у міру необхідності.

Порядок приготування розчину. На прісній воді готують глинисту суспензію. Після диспергування глинопорошку в суспензію вводять Са(ОН)₂, перемішують протягом 5-10 хв. Розчин спочатку гусне, але при перемішуванні розріджується. Після цього до розчину додають КМЦ у вигляді 5-10% водного розчину, перемішують протягом 10 хв. до повного розчинення КМЦ, а потім вводять, повільно перемішуючи вручну, КССБ у вигляді 10-15% водного розчину. Одночасно з КССБ у розчин вводять піногасник, після чого розчин обробляють хлористим кальцієм. Вапно вводять у вигляді вапнистого молока, густиною 1100¸1120 кг/м³, а – у вигляді товарного продукту. Домішки хлористого кальцію та вапна можуть призвести до тимчасового загущення розчину, яке через певний час при інтенсивному перемішуванні зникає.

При цьому розчин повинен мати такі параметри:

=1080¸2000 кг/м³;Т=25¸50с; =15¸40 дПа; =20¸60дПа; =4¸12 см³; рН=8,5¸10,0; =2500¸3500 мг/л.

Основними компонентами цього розчину, крім води і глини, є хлористий кальцій, гідроксид кальцію, солестійкі понижувачі фільтрації (КМЦ, КССБ, крохмаль) та понижувачі умовної в’язкості (ССБ, ОКЗІЛ, ФХЛС). При необхідності в хлоркальцієвий розчин вводять піногасники (МАС-200, ГС, ПЕС, триксан), мастильні домішки (нафта, графіт) та обважнювач (крейда, гематит, барит).

Концентрацію іонів кальцію в хлоркальцієвих розчинах підтримують на рівні 1500¸3500 мг/л. При розбурюванні в’язко пластичних глин, які легко переходять в звичайний глинистий розчин і підвищують його реологічні властивості, вміст іонів кальцію в фільтраті розчину рекомендується підтримувати на рівні 2500¸3500 мг/л, а при розбурюванні набухаючих глинистих сланців – 1500¸2500 мг/л.

Регулювання параметрів розчину. Використання КМЦ для пониження фільтрації при високому вмісті Са²⁺ призводить до її висолювання і зростання фільтрації розчину. КССБ недостатньо ефективно понижує фільтрацію і до того ж сильно спінює розчин. Тому у практиці буріння для обробки хлоркальцієвих розчинів часто використовують комбінацію КМЦ+КССБ у співвідношенні 1:5 або 1:10, що дає змогу підняти поріг коагуляції КМЦ та покращити стабільність розчину.

Вміст глинопорошку, хімічних реагентів-стабілізаторів може змінюватись залежно від їх якості та марки.

При необхідності КМЦ та КССБ можуть бути замінені іншими однотипними хімічними реагентами в еквівалентній кількості.

У процесі буріння свердловини через адсорбцію хімічних реагентів на поверхні вибуреної породи їх концентрація у буровій промивній рідині зменшується.

Порівнюючи фактичні значення параметрів бурової промивальної рідини з проектними, визначають частоту і напрям повторних хімічних обробок, користуючись такими рекомендаціями:

– для зменшення фільтрації в хлоркальцієвий розчин вводять 3¸5 кг/м³ КМЦ (крохмалю) та 10¸20 кг/м³ КССБ-4. Для гасіння піни добавляють 5¸10 л/м³ піногасника. При загущенні розчину доцільно замість КМЦ вводити крохмаль;

– розрідження бурової промивної рідини досягається введенням (5¸10)%-ного водного розчину КССБ із розрахунку 5¸10 кг/м³. Для підвищення ефективності розрідження інколи КССБ вводять в комбінації з хромпіком (5¸10 л/м³ 10%-ної концентрації);

– концентрацію іонів кальцію в хлоркальцієвому розчині збільшують додаванням 0,1¸0,3% концентрованого водного розчину хлористого кальцію (на суху речовину);

– значення рН в розчині регулюють періодичною домішкою вапна в вигляді 20¸25% розчину в кількості 0,1¸0,2 % від об’єму розчину. Оптимальна лужність розчину коливається в межах 9¸11;

– при повторних хімічних обробках хлоркальцієвого розчину недоцільно використання кальцинованої соди, фосфатів, рідкого скла, акрилових полімерів, гуматних реагентів, мастильної домішки ЗМАД-1, сульфонолу, тому що при взаємодії з іонами кальцію вони утворюють нерозчинні сполуки.

Переваги розчину:

1 Висока ефективність при розбурюванні гіпсоангідритових та аргілітових відкладів, схильних до обвалювання та осипання.

2 стійкість при розбурюванні цементних мостів і слабких проявах пластових мінералізованих вод.

Недоліки розчину:

1 Низька термостійкість, так як підвищення температури стимулює коагуляційні процеси, що проходять у розчині і гальмує дію захисних реагентів.

2 висока корозійна активність.

3 зі збільшенням вмісту іонів кальцію в обмінному комплексі глинистих порід кріпильний ефект хлоркальцієвого розчину зменшується

Оформлення результатів

1 Заміряти параметри вихідної глинистої суспензії (густину, умовну в’язкість, СНЗ₁, фільтрацію), результати вимірювань занести у таблицю 7.2.

2 Приготувати буровий розчин відповідно до методичних вказівок, заміряти його параметри і результати занести у таблицю 7.2.

Таблиця 7.2 – Результати вимірювань параметрів розчину

назва параметру, розмірність	Параметри вихідного розчину	Параметри приготовленого розчину	Регламентовані параметри
Густина, кг/м³
Умовна в’язкість, с
СНЗ₁, Па
Фільтрація, см³/30 хв.

3 Порівняти отримані дані з регламентованими.

4 У випадку, коли параметри приготовленого розчину суттєво відрізняються від регламентованих, то вибираємо подальший напрям регулювання параметрів.

5 Зробити висновок про якість приготовленого розчину.

Вимоги до звіту

У звіті повинні бути наведені:

– теоретичні відомості про область застосування, склад 1 м³, порядок приготування, регулювання параметрів та переваги і недоліки бурового розчину.

– таблиця з результатами вимірювання.

– висновки.

Контрольні запитання

1 які розчини називаються хлоркальцієвими?

2 Для яких умов рекомендується застосовувати хлоркальцієві розчини?

3 Вказати склад хлоркальцієвого розчину та кількість хімічних реагентів для його приготування.

4 Описати порядок приготування хлоркальцієвого розчину.

5 Які особливості приготування хлоркальцієвого розчину?

6 Яка термостійкість хлоркальцієвого розчину?

7 Вказати переваги хлоркальцієвого розчину.

8 Вказати недоліки хлоркальцієвого розчину.

9 В яких межах слід підтримувати концентрацію іонів кальцію для забезпечення його інгібуючої дії?

10 Яким чином можна регулювати умовну в’язкість, реологічні параметри та фільтрацію хлоркальцієвого розчину?

11 Яка розчинність хлористого кальцію?

Полімерхлоркалієві розчини

Мета роботи: вивчити призначення, склад одного кубометра, порядок приготування та регулювання параметрів полімерхлоркалієвого розчину.

Глинисті суспензії з невеликим вмістом твердої фази, які оброблені полімером понижувачем фільтрації, розріджувачем, хлористим калієм та флокулянтом, називають полімерхлоркалієвими розчинами.

Область застосування. В основному застосовують такі розчини для розбурювання нестійких, сильно набухаючих глинистих відкладів.

Склад розчину. Для приготування 1 м³ розчину необхідно:

1 Н₂О – решта.

2 ПБ - 40¸50 кг;

3 КОН – 3-5 кг;

4 КМЦ-600 – 5-6 кг;

5 КССБ - 30¸50 кг;

6 КCl – 30¸50 кг;

7 МАС-200 – 2-5 л (5% вуглеводневої суспензії);

8 ПАА - 25¸50 л (0,5%-ного водного розчину);

9 Нафта - 80¸100 л.

Порядок приготування розчину. У попередньо гідратовану глинисту суспензію вводять концентрований водний розчин гідроксиду калію, доводячи рН до 9¸10, після чого додають КМЦ у вигляді 5-10% водного розчину, перемішують протягом 10 хв. до повного розчинення реагента. Після обробки КМЦ розчин дещо гусне, тому вводимо КССБ у вигляді 10-20% водного розчину, повільно перемішуємо протягом 10 хв. вручну, щоб запобігти спінюванню розчину або одночасно з КССБ вводимо піногасник. Після ретельного перемішування в розчин вводять хлористий калій.

При потребі у розчин вводять мастильні домішки та обважнювач.

При введенні хлористого калію розчин загущується. Для відновлення властивостей промивної рідини розчин необхідно ретельно перемішати протягом 10-15 хв.

Після цього вимірюють параметри розчину, які орієнтовно повинні бути такі:

= 1060¸2200 кг/м³; Т = 25¸70с; = 5¸40 дПа;

= 7¸160 дПа; = 4¸8 см³; рН = 9,0¸10,0.

Якщо виміряні параметри розчину відповідають наведеним вище, то приготовлений розчин обробляють 0,5%-ним водним розчином ПАА. Після перемішування розчину повторно виміряють умовну в’язкість, СНЗ₁ та роблять висновок про величину флокуляції, яка утворилась під дією ПАА.

Якщо у процесі буріння свердловини статичне напруження зсуву нижче 5 дПа, то після відробки долота необхідно свердловину спочатку промити протягом часу t_пр ≥0,5t_ц, а потім піднімати бурильну колону зі свердловини.

Регулювання параметрів розчину. У процесі буріння свердловини регулярно замірюють параметри розчину ( -через 1 годину; - 1¸2 рази в зміну) і порівнюють їх з величинами, наведеними в ГТН. При необхідності приймають рішення про хімічну обробку розчину. Регулювання параметрів розчину проводять шляхом роздільного або одночасного введення реагентів.

У міру загущення промивної рідини в’язкість та структурно-механічні показники зменшують домішкою НТФ (0,01¸0,03 кг/м³) або технічної води.

При збільшенні фільтрації вище допустимої величини розчин обробляють полімерами із розрахунку: КМЦ – 0,1¸0,2%; метас – 0,08¸0,15%; НР-5 – 0,1¸0,15%. Нерідко регулювання параметрів полімер-глинистих розчинів здійснюють з допомогою комплексного реагенту НР-5 + ПАА + НТФ.

Для покращання мастильних властивостей в розчин вводять від 4 до 10 % нафти разом з емульгатором (0,1¸0,5% від об’єму нафти).

Регулювання вмісту тонкодисперсної фази в розчині проводять з допомогою полімерів-флокулянтів, наприклад ПАА або ДК-Дрілу 1А, 15А, які вводять в розчин у вигляді 0,5%-ного водного розчину.

При зниженні концентрації колоїдної фази нижче допустимої межі (2%) у розчин вводять попередньо гідратовану глинисту суспензію з вмістом бентонітового глинопорошку до 1%.

Переваги розчину:

1 Розчин є ефективним при розкритті горизонтів, схильних до обвалювання та осипання стінок свердловини.

2 Запобігає диспергуванню шламу вибурених глинистих порід та підвищенню вмісту колоїдної фази у розчині.

3 низький вміст твердої фази у розчині сприяє покращанню показників буріння свердловини.

4 при невеликій загальній фільтрації розчин має відносно велику миттєву фільтрацію, яка сприяє збільшенню проходки на долото та механічної швидкості буріння.

Недоліки розчину:

1 Часті домішки ПАА збільшують вартість розчину.

Оформлення результатів

1 Заміряти параметри вихідної глинистої суспензії (густину, умовну в’язкість, СНЗ₁, фільтрацію), результати вимірювань занести у таблицю 7.5.

2 Приготувати буровий розчин відповідно до методичних вказівок, заміряти його параметри і результати занести у таблицю 7.5.

3 Порівняти отримані дані з регламентованими.

5 Зробити висновок про якість приготовленого розчину.

Таблиця 7.5 – Результати вимірювань параметрів розчину

назва параметру, розмірність	Параметри вихідного розчину	Параметри приготовленого розчину	Регламентовані параметри
Густина, кг/м³
Умовна в’язкість, с
СНЗ₁, Па
Фільтрація, см³/30 хв.

Вимоги до звіту

У звіті повинні бути наведені:

– таблиця з результатами вимірювання.

– висновки.

Контрольні запитання

1 які розчини називаються полімерхлоркалієвими?

2 Для яких умов рекомендується застосовувати полімерхлоркалієві розчини?

3 Вказати склад полімерхлоркалієвого розчину та кількість хімічних реагентів для його приготування?

4 Описати порядок приготування полімерхлоркалієвого розчину?

5 Які особливості приготування полімерхлоркалієвого розчину?

6 Яка термостійкість полімерхлоркалієвого розчину?

7 Вказати переваги полімерхлоркалієвого розчину.

8 Вказати недоліки полімерхлоркалієвого розчину.

9 В яких межах слід підтримувати концентрацію іонів калію?

10 Яким чином можна регулювати структурно-механічні властивості та фільтрацію полімерхлоркалієвого розчину?

11 В яких межах слід підтримувати концентрацію колоїдної фази у полімерхлоркалієвому розчині?

12 Яким чином регулюють концентрацію колоїдної фази у полімерхлоркалієвому розчині?