Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 29

 

 

 

Рис.11.Влияние соли на прегидратированный                         Рис.10. Влияние кальция прегидратированный 
                      бентонит                                                                                                    бентонит 
 

                                    

 

Рис.12.Влияние рН на Вайомингский бентонит. 

 

Влияние рН 

Теперь важно остановиться также на влиянии рН на выход глинистого раствора. На 

рис.12  показано  изменение  вязкости  бентонитового  раствора  с  изменением  рН.  Все 
буровые  растворы  обрабатываются  таким  образом,  чтобы  их  среде  была  щелочной,  те. 
уровень рН должен быть больше 7. Одним из наиболее важных моментов, ввиду того, что 
рН влияет на вязкость, является выбор оптимального диапазона рН с целью оптимизации 
реологических  свойств  буровых  растворов.  Из  графика  видно,  что  вязкость  суспензии 
бентонита находится примерно в диапазоне рН от 7 до 9,5. Это является одной из причин, 
по  которой  преимущественно  буровые  растворы  на  водной  основе  используются  в  этом 
диапазоне  рН.  При  увеличении  рН  выше  9,5  возрастает  дисперсия  глин,  что  приводит  к 
увеличению пластической вязкости бурового раствора. 

Выше говорилось о том, чтобы получить максимальную вязкость при минимальном 

добавлении  материала.  Важность  рН  заключается  в  том,  что  вязкость  раствора  при  рН 
превышающем  10,  иногда  несоизмерима  с  тем,  что  принято  считать  оптимальными 
свойствами бурового раствора. 

 

 

По  вполне  объективным  причинам,  таким  как  безопасные  условия  ведения  работ  и 

предупреждения коррозии, буровые растворы редко имеют рН ниже 7 или же в диапазоне 
кислот. 

В  последующих  разделах  будут  рассмотрены  буровые  растворы  с  высоким  рН,  где 

будут объяснены причины их использования и способы их обработки. 

 

ГЛАВА 5. 

Реологические характеристики и прочность геля 

Во  время  проведения  любой  операции  бурения  очень  важно  контролировать 

физические  свойства  бурового  раствора.  Параметры  растора  поддерживаются  на  уровне, 
обеспечивающем  оптимальное  бурение  скважины.  К  наиболее  важным  свойствам 
бурового раствора, которые необходимо постоянно держать поп контролем - это вязкость 
и  прочность  геля (предельное  СНС).  Вязкость  и  прочность геля  влияют  на: (1)  удаление 
бурового  шлама,    (2)  поддержание  шлама  и  утяжелителя  во  взвешенном  состоянии  при 
остановке  циркуляции,    (3)  удаление  шлама  на  поверхности,    (4)  сведение  к  минимуму 
любого неблагоприятного воздействия на стенки скважины и (5) получение информации о 
пробуренных породах. 

Вязкость  определяется  как  сопротивление  течению  и  обычно  на  промыслах  её 

определяют  с  площадью  вискозиметра  (воронки)  Марша.  Вязкость  по  вискозиметру 
Марша это скорость течения раствора, которая измеряется в секундах на кварту или же в 
метрических единицах - секундах на 1000 мл. Ни одно из значений вязкости, полученных 
с  помощью  вискозиметра  Марша,  нельзя  считать  правильным  для  всех  буровых 
растворов. То, что верно для одной площади, может не соответствовать действительности 
на другой площади, однако в общих случаях применимо эмпирическое правило. Вязкость 
большинства  буровых  растворов  поддерживается  (1)  на  уровне,  в  четыре  раза 
превышающем плотность бурового раствора (фунт/галл) или меньше, или (2) на уровне, в 
два  раза  меньшем  плотности  бурового  раствора  (фунт/фут?)  или  меньше.  Существуют 
исключения, например, при использовании высоковязких буровых растворов на площадях 
Мид-Континент. 

Более  точную  информацию  о  вязкости  бурового  раствора  и  её  регулировании 

можно  получить  с  помощью  ротационных  вискозиметров.  Эти  приборы  измеряют 
вязкость  в  сантипаузах  и  с  их  помощью  можно  установить  причину  аномально  высокой 
вязкости.  Они  также  применяются  для  определения  прочности  геля,  другого  очень 
важного  параметра  бурового  раствора.  Прочность  геля  -  это  степень  загустевания  или 
тиксотропных  свойств  бурового  раствора,  в  статических  условиях,  которую  обычно 
обозначают в фунтах на 100 квадратных футов (фунт/100 фут?). 

В процессе бурения значение вязкости и прочности геля возрастают. В результате 

разрушения породы долотом в буровой раствор поступают химически активные частицы, 
инертные частицы и загрязнители. В результате вязкость и/или прочность геля возрастают 
до  значений,  которые  нельзя  считать  приемлемыми.  Как  правило,  при  возрастании 
значений  этих  параметров  можно  добавить  воду  и/или  химические  реагенты  с  целью 
поддержания  их  оптимального  уровня.  При  значительном  возрастании  вязкости  и 
прочности геля могут возникнуть различные осложнения бурения, например: 

1.  Применение  избыточного  давления  на  выкиде  насоса  для  возобновления 

циркуляции или же более высоких давлений для прокачивания бурового раствора. 

2. Поглощение бурового раствора в результате гидравлического удара. 
3. Вовлечение газа в буровой раствор с возможностью возникновения выброса. 
4.  Поступление  в  скважину  газа  или  минерализованной  воды  в  результате 

свабирования. 

5.  Чрезмерное  увеличение  содержания  шлама  и  песка  в  буровом  растворе, 

оказывающих образивное воздействие на оборудование буровой установки 

6. Поступление глинистых сланцев в скважину в результате свабирования. 

 

 

Вискозиметр  Марша  применяется  для  определения  вязкости.  Если  обнаружится, 

что значения вязкости не соответствуют оптимальным, то для установления причины этот 
инструмент  уже  не  годится.  С  помощью  вискозиметра  Марша  нельзя  определить 
прочность  геля,  что  очень  важно  для  процесса  бурения.  Используя  ротационный 
вискозиметр Фэнна можно установить причину изменения вязкости и определить способ 
устранения  этого  явления.  Кроме  того,  что  вискозиметр  Фэнна  позволяет  установить 
способ обработки бурового раствора, значения вязкости могут использоваться для: 

(1) определения режима промывки; 
(2) определения потерь давления в системе; 
(3) определения реологического профиля; 
(4) определения скорости осаждения; 

 

(5) определения эффективной вязкости; 

(6) эквивалентных плотностей циркуляции. 

 

Реология 

Реология  —  это  наука  о  деформации  и  течении  материи.  Произведя  определенные 

измерения,  можно  определить,  каково  будет  течение  этой  жидкости  при  различных 
условиях.  Имея  эти  данные  мы  можем  разработать  циркуляционную  систему, 
отвечающую определенным требованиям. 

 

Напряжение сдвига - скорость сдвига бурового раствора 

При течении жидкости проявляется действие силы, препятствующей её течению. Её 

можно  рассматривать  как  силу  трения,  возникающую  при  скольжении  одного  слоя 
жидкости  относительно  другого.  Ввиду  того,  что  сдвиг  легче  происходит  между  слоями 
жидкости,  чем  между  стенкой  бурильной  колонны  и  первым  слоем  жидкости,  то  слой 
жидкости,  контактирующий  со  стенкой  бурильной  колонны,  остаётся  неподвижным. 
Скорость  каждого последующего  слоя  жидкости  прогрессивно возрастает  в  направлении 
от  стенки  бурильной  колонны  к  её  центру.  Скорость,  с  которой  один  слой  раствора 
движется относительно соседнего слоя, называется  скоростью сдвига 

На рис.1. показано в простейшей форме соотношение скорости сдвига и напряжения 

сдвига.  Два  слоя  жидкости  находятся  между  двумя  плоскостями,  одна  из  которых  не 
подвижная, а другая способная к перемещению. 

 

Рис. 1. напряжения сдвига и скорости сдвига 
Если  к  верхней  подвижной  плоскости  известной  площади  (сма?)  приложить  силу 

(дин),  то  эта  плоскость  начнёт  перемещаться  с  определенной  скоростью  (см/сек).Слои 
жидкости не  могут  перемещаться  поперек  прилегающих  к  ним  плоскостей,  вместо  этого 
слой жидкости А скользит по слою жидкости В. В этом случае скорость движения слоя А 
(см/сек)  больше  скорости  движения  слоев  В.  Напряжение  сдвига  является  мерой 
сопротивления трению, возникающему между слоями жидкости А и В. И выражается как 
сила  на  единицу  площади  (дин/см

2

).    Скорость  двига  -  это  скорость  (см/сек),  с  которой  

слой А перемещается поперёк слоя В на какое-то определенное расстояние (см). 

 

 

Понятия  скорости  сдвига  и  напряжения  сдвига  применимы  к  движению  любых 

жидкостей.  В  пределах  циркуляционной  системы (аналогичной  циркуляционной  системе 
на  буровой  )  скорость  сдвига  зависит  от  средней  скорости  движения  жидкости  в  той 
форме  циркуляционного  пространства,  в  которой  оно  происходит.  Таким  образом, 
скорость  сдвига  выше в геометрических  формах  небольшого  размера  (внутри  бурильной 
колонны)  и  ниже  в  формах  большего  размера  (таких,  как  затрубное  пространство). 
Изменения  в  подаче  насоса  влияют  на  скорость  сдвига    бурового  раствора,  во  всей 
циркуляционной  системе,  хотя  форма  циркуляционного  пространства  может  меняться. 
Более  высокие  скорости  сдвига  обычно  вызывают  возникновение  силы  сопротивления 
напряжению  сдвига  большей  величины.  Поэтому,  напряжения  сдвига  в  бурильной 
колонне  (т.е.  там,  где  скорости  сдвига  более  высокие)  превышают  напряжения  сдвига  в 
затрубном  пространстве  (где  скорости  сдвига  более  низкие).  Сумма  потерь  давления  во 
всей  циркуляционной  системе  (давление  на  выкиде  насоса)  часто  ассоциируется  с 
напряжением сдвига, в то время, как подача насоса связывается со скоростью сдвига. Это 
взаимоотношение между скоростью сдвига и напряжением сдвига жидкости и определяет 
характер её движения. 

 

Ньютоновские жидкости 

Ньютоновские  жидкости  относятся  к  разряду  наиболее  простых  жидкостей. 

Примерами  ньютоновских  жидкостей  могут  служить  вода,    глицерин  и  лёгкие  масла.  В 
таких  жидкостях  напряжение  сдвига  прямо  пропорционально  скорости  сдвига,  как 
показано на рис.2. При удвоении скорости сдвига напряжение сдвига также удваивается, 
или  же  при  удвоении  скорости  циркуляции  давлении,  необходимое  для  прокачивания 
раствора,  также  удвоится.  Например,  при  100  об/мин  напряжение  сдвига  равно  35 
единицам отклонения и при удвоении скорости сдвига происходит удвоение напряжения 
сдвига до 70 единиц отклонения и т.п. 

 

Рис.2. Ньютоновская жидкость. 
 
Жидкость,  двигающаяся  по  цилиндрической  трубе  в  ламинарном  режиме, 

перемещается  концентрическими  слоями,  рис.  3-А.  На  рис.  3-В  показан  типичный 
профиль  скорости  движения  ньютоновской  жидкости  по  трубе.  Заметьте,  что  профиль 
движения жидкости имеет форму параболы или пули. 

Степень  изменения  скорости  с  расстоянием  (скорость  сдвига)  представлена 

наклоном  параболы  профиля  скорости  в  любой  точке  бурильной  колонны.  Обратите 
внимание,  что  наклон  профиля  скорости  имеет  максимальную  величину  на  стенке 
бурильной колонны и уменьшается до нуля в центре бурильной колонны. Иными словами, 
скорость  сдвига  максимально  у  стенки  бурильной  трубы  и  равна  нулю  в  центре  трубы, 
проходящей  под углом 45°.