СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОРОК БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

  Главная        Учебники - Техника         Технологические свойства буровых растворов (Михеев В. Л)

 поиск по сайту     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  ..

 

 

 

§ 4. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОРОК БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

Особенностью фильтрационных корок буровых растворов является то, что они представляют собой своеобразный класс фазовонеоднородных, концентрированных глинистых суспензий, закономерно уплотняющихся по толщине перепадом давления и изменяющих при этом свои прочностные свойства.

Характер упрочнения структур корок определяют состав, свойства и состояние исходного глинистого раствора (уровень его коагуляции или стабилизации). В зависимости от этого строение фильтрационных корок носит коагуляционный или стабилизационный характер. Высокое содержание в них твердой фазы и консолидация в процессе фильтрации под действием перепада давления обусловливают интенсивное структурообразование, исследование которого представляет особенный интерес.
Объектами исследования служили корки, полученные фильтрацией при заданном перепаде давления из различных по составу и свойствам суспензий дружковского глинопорошка.

Деформация сдвига структур различных слоев фильтрационных корок измерялись с помощью прибора, изображенного на рис. 12. Типичная диаграмма напряжений сдвига, полученная по нижнему слою корки толщиной 4 мм из 20%-ной суспензии дружковского глинопорошка при перепаде давления 1 кгс/см2, приведена на рис. 14. На этой диаграмме отчетливо различимы пять основных участков:

I (Оа) — круто поднимающийся отрезок прямой, характеризующий развитие упругих деформаций, подчиняющихся закону Гука;

II (ab) — искривленный участок диаграммы, характеризующий развитие упругого последействия и ползучести, ограниченный двумя пределами; пропорциональности (а) и прочности (b). Интенсивность искривления этого участка тем больше, чем выше налагаемые напряжения сдвига;

III (Ьс) — пологий участок, характеризующий ползучесть структуры или пластическое ее течение при постоянном напряжении сдвига, соответствующем предельному статическому напряжению сдвига или прочности структуры корки на сдвиг. Участок ползучести при принятой скорости деформирования 0,3 мм/с на диаграмме напряжений развит слабо, но тем не менее характеризует пластическое состояние корки;

IV (cd) круто падающий участок диаграммы, характеризующий лавинное разрушение структуры корки по поверхности сдвига и отражающий хрупкий характер разрушения коагуляционных связей;

V (d ... ) — участок вязкопластичиого течения, подчиняющийся уравнению Шведова Бингама, для которого характерно условие равновесия между разрушающимися и восстанавливающимися структурными связями в корке.

На рис. 15 приведены величины предельного статического напряжения сдвига нижних слоев корок толщиной 4 мм, полученных при перепадах давления 1 кгс'см2 (кривая /) и 30 кгс/см2 (кривая 2), в зависимости от длительности контактирования со сталью. Из рис. 15 видно, что наибольшее упрочнение структуры корки при перепаде давления 1 кге'см2 достигается в первые 90 мин контактирования. С увеличением перепада давления до 30 кгс/см2 темп упрочнения резко возрастает, и максимальная прочность структуры корки при этом достигается уже в первые 30—40 мин контактирования Дальнейшее увеличение перепада давления до 50 кгс/см2 и более не столь значительно упрочняет структуру фильтрационной корки (кривая 3). Увеличение длительности контактирования до 2 ч и более практически не приводит к дальнейшему упрочнению корки.

На рис. 16 отражено влияние перепада давления на кинетику деформации структур фильтрационных корок. Характер диаграмм напряжений несмотря на упрочняющее действие перепада давления не изменяется, однако величины предельного статического напряжения сдвига Рт с увеличением перепада давления растут. Такой рост наблюдается приблизительно до перепада давления 30—40 кгс/см2, когда достигается уплотнение корок, близкое к предельному (рис. 16 и 17).

При увеличении перепада давления нарастание прочности уже незначительно Аналогичные максимумы в интервалах перепадов давления 20 —30 кгс/см2 получены и для других типов химически обработанных и утяжеленных растворов. Наличие максимума предельного статического напряжения сдвига имеет принципиальное значение, характеризуя постоянство механических свойств корок при достаточном их уплотнении. В связи с этим дальнейшие исследования структурно-механических свойств фильтрационных корок проводили при постоянном перепаде давления 30 кгс/см2.

Специально исследовали изменение прочности структур по мере углубления в корку. Диаграммы напряжений структур различных слоев корки однотипны с ранее рассмотренными, но, как видно из рис. 18, характеризуют значительное упрочнение глубинных слоев. Верхние слои корки (примерно до 3/4 ее толщины) не обладают высокой прочностью, но в нижних слоях темп упрочнения резко возрастает. Вдавливание бурильных труб в глинистую корку может привести с увеличению сил сопротивления движению в 3—3,5 раза. Такое упрочнение структур глубинных слоев корки следует связывать с их уплотнением, ростом концентрации твердой фазы в процессе фильтрации, пропорциональным действующему перепаду давления.


На влажности корок сказывается содержание в них твердой фазы, состав и свойства, природа твердой фазы бурового раствора, химическая обработка и агрессивные воздействия на него, эмульгирование нефтью или смазочными добавками. Сравнительно невелико влияние концентрации глины в исходном буровом растворе. Из рис. 18 видно, что с увеличением содержания дружковского глинопорошка в суспензии от 5 до 30% прочность структур корки возрастает всего лишь на 10—15%.

Утяжелители оказывают большее влияние на прочность структуры корки. Утяжеление 20%-ной суспензии дружковского глинопорошка баритом до плотности 2,05 -2,2 г/см3 вызывает упрочнение структур в 4—5 раз. В соответствии с принятой нами предпосылкой о зависимости между свойствами глинистой фильтрационной корки и состоянием исходного бурового раствора присутствие в нем агрессивных ионов вызывает усиление коагуляционных структур. По мере увеличения концентрации электролита и положения его катиона в лиотропном ряду предельное статическое напряжение сдвига возрастает (рис. 21).

Усиление пептизации твердой фазы и стабилизация ее щелочными агентами усиливает структурообразование в фильтрационных корках. На рис. 22 показано изменение предельного статического напряжения сдвига в зависимости от pH бурового раствора.

Стабилизация УЩР вызывает уплотнение корок и упрочнение структур, соответственно падает и влажность корок. Особенно явно эти эффекты выражены у утяжеленных растворов, обработанных УЩР, когда интенсивно образуются сопряженные структуры (см. рис. 18 и 19).

Иначе действует КМЦ, гидрофилизирующая корку. Вследствие меньшей плотности укладки и жесткости структурных связей прочность структур в этом случае на 10—15% меньше по сравнению с корками растворов, обработанных УЩР. Подобно УЩР и КМЦ на структурообразование влияют и другие реагенты: крахмал, гипан, окзил и т. д.

Непосредственно с развитием коагуляционных структур связан эффект влияния природы контактирующего материала на величину усиления сдвига. При контакте глинистой корки с металлом на поверхности раздела в результате перехода поверхностных ионов металла в жидкую фазу и ионообменных процессов с глиной усиливаются коагуляционные процессы и появляются более прочные структуры. Это ранее отмечалось Э. Г. Кистером применительно к глинистым суспензиям. Им было показано, что при контакте с металлами, стоящими выше в электрохимическом ряду напряжений, прочность структур уменьшается Аналогичные результаты были получены для фильтрационных корок.

Как видно из рис. 23, прочность структур при контакте с поверхностью измерительного элемента из стали 40ХН составляет лишь около 4U% прочности, достигаемой при использовании труб из алюминиевого сплава Д16Т; тем не менее она в 2—2,5 раза превышает прочность контакта с гидрофобными материалами — фторопластом, органическим стеклом и др. Таким образом, применение легкосплавных труб в обычных промывочных средах, особенно в щелочных, вызывает значительное усиление сил сопротивления движению бурильного инструмента. Соответственно усиливается перспективность использования труб из полимерных материалов или применения гидрофобных покрытий. Сравнительная оценка влияния различных по составу сталей — 40ХН, Х18Н9Т, Х12М — на структурооб-разование в корках не выявила между ними сколько-нибудь существенных различий. Последнее согласуется с результатом предшествующих исследований.

Резкое разупрочнение фильтрационных корок наступает при эмульгировании исходных буровых растворов нефтью и смазочными добавками. Введение в суспензию 5% нефти почти вдвое снижает предельное статическое напряжение сдвига и пластифицирует разрушение структур. Дальнейшее эмульгирование 10—15% нефти меньше сказывается на прочности структур корки, но пластифицирует их разрушение и облегчает трение движения. Действие нефти увеличивается больше чем в

2 раза при добавке 1,5% графита, хотя сам графит, как видно из рис. 24 (кривая 2), влияет на прочность структур значительно меньше, чем нефть. Активность графита значительно возрастает лишь в олеофильных средах. Еще большее разупрочнение корок вызывает введение смад — смазочной добавки на основе окисленного петролатума.

Эта добавка более чем в 5 раз снижает прочность корок буровых растворов, обработанных УЩР (с 338 до 63 гс/см2). Добавка комбинированной смеси смада с графитом снижает прочность корки в 10—15 раз. В результате выявлено, что нефтерастворимые смазочные добавки (смад, кубовые остатки, СЖК, соапстоки и т. п.) эффективнее водорастворимых (ОП-Ю, сульфонола и др.). Из последних наибольшее разупрочняющее действие оказывает нефтяное ростовое вещество (НРВ), добавка 1,5—2% которого позволяет снизить предельное статическое напряжение сдвига корок на 50%

В агрессивных средах (минерализованные растворы) влияние смазочных и эмульгирующих добавок не столь велико. В соленых буровых растворах добавки нефти или смада должны быть увеличены в 2 раза, но во всех случаях могут быть достигнуты те же результаты, что и при отсутствии минерализации.

Ограничивающими признаками применения смада и других смазывающих добавок является высокая щелочность раствора (pH = 11 и выше), приводящая к омылению жирных кислот и снижению их эффективности, а также высокое содержание ионов кальция, вызывающего образование нерастворимых кальциевых мыл. Эти причины снижения смазочной способности вводимых добавок в раствор необходимо учитывать при бурении скважин, поскольку возможны случаи, когда смазочная добавка может потерять свою эффективность и силы сопротивления останутся достаточно высокими. Механизм разупрочняющего действия смазочных добавок заключается в том, что смазки, адсорбируясь на глинистых частицах корки, образуют слой ориентировочных молекул, обращенных гидрофобной частью к водной фазе 171J, способствуют понижению гидрофильности и экранируют возможные коагуляционные связи между глинистыми частицами, понижая прочность структур фильтрационных корок.