Пены представляют собой такие дисперсные системы, в которых
дисперсионной средой является вода, а роль дисперсной фазы выполняет
газообразный агент —воздух. Эти системы кинетически неустойчивы, поэтому
для повышения кинетической и агрегатив-ной устойчивости в них добавляют
ПАВ, увеличивающие жесткость таких систем и их устойчивость во времени и
при перемешивании.
Впервые с образованием пен в скважине встретились при бурении с
продувкой воздухом, когда пены образовывались в результате притока
пластовых вод на забой. Это в значительной мере осложняло бурение с
продувкой воздухом из-за образования в затрубном пространстве
пенообразных пробок и требовалось повысить давление для их удаления из
скважины. При вскрытии трещиноватых и кавернозных пород, в которых
наблюдались осложнения и утечки воздуха (поглощения), пены стали
применять как промывочные среды, которые обеспечивают низкое
гидростатическое давление и, обладая значительно большими, чем у воды,
вязкостью и структурированностью в статических условиях, позволяют
предупреждать поглощения. Это позволило снизить затраты времени,
тампонажных материалов, материально-технических средств на борьбу с
поглощениями.
В последние годы пены в ограниченном объеме начали применять для
вскрытия и освоения продуктивных горизонтов, содержащих нефть и газ, так
как слабо изучены течение пенообразных потоков, их взаимодействие с
забоем скважины и т. д.
В последние годы появились экспериментальные работы, в которых
рассматривалась эта проблема. Так, П. Шерман исследовал физические
показатели пен, которые, по его мнению, влияют на реологические
показатели таких дисперсных систем. К физическим показателям пен
относят: вязкость воздуха во внутренней фазе, вязкость жидкости во
внешней фазе, объемную концентрацию воздуха или газа и жидкости в
системе, количество введенного ПАВ, природу граничной пленки,
электрические силы, распределение воздушных пузырьков в пене и т. д.
П. Шерман считает, что при бурении нефтяных скважин особенно важны три
первых физических показателя. При приготовлении пен большое значение
имеют содержание и природа ПАВ, поскольку они определяют электрический
заряд в системе на границе раздела фаз. Было установлено, что при
прокачивании пен при низких давлениях количество пены резко менялось
вследствие расширения воздушных пузырьков. При этом резко менялась
вязкость пен. Прокачивание пен в трубах показало, что в этом случае в
зависимости от скорости прокачки может иметь место как структурное, так
и ламинарное течение пенного потока.
Вопросы теории вязкостных свойств пенных потоков рассматривались
Эйнштейном и Хэтчиком, которые предложили уравнение движения
пенообразной жидкости. Уравнение Эйнштейна справедливо для пен,
содержащих в себе до 45% воздуха. Считают, что при таком содержании
воздуха в пене применимы общие законы гидродинамики и сохранения энергии
вокруг системы воздушных пузырьков, необходимой для их перемещения в
жидкости.
Хатчик предложил две предпосылки, относящиеся к вязкости пен. Первая из
них характеризует вязкостные свойства пен при содержании воздуха в
системе от 0 до 74%, оценка которых проводилась по закону Стокса
(медленное падение шаров в пене). Вторая предусматривает оценку
вязкостных свойств пен при содержании воздуха от 74 до 100%, основанную
на принципе сохранения энергии при деформации пузырьков воздуха в момент
их столкновения и движения в потоке пены.
Б. И. Мителл показал, что для достижения равновесного состояния течения
воздушно-жидкостного потока в трубах может быть предложено уравнение
движения масс, учитывающее массу жидкости в потоке, которая зависит от
температуры и давления [96].
Поток пены при течении близко соответствует модели потока Бингама.
Показано, что в начальный период течения пены обладают напряжением
сдвига, т. е. представляют собой системы, близкие к структурированным
жидкостям.
При содержании воздуха в жидкой фазе до 54% режим потока при поперечном
расходе 20 000 1/с становится переходным от структурного к
ламинарному.
В соответствии с гидродинамической теорией угол наклона градиентов
скоростей характеризует режим течения, и при ламинарном режиме течения
он вдвое больше, нежели при структурном.
При содержании воздуха в пене 54-^96% течение практически подчиняется
закону Ньютона.
Статистическая обработка экспериментальных данных с
позиций теории Эйнштейна и Хэтчика для пен, содержащих 54—96% воздуха,
показала, что уравнение (140) с достаточной точностью может быть
применено для оценки вязкости пен.
Псевдоожижение забойных осадков (шлама) при промывке пенами по механизму
близко к псевдоожижению аэрированных буровых растворов. Пузырьки воздуха
в пене, проникая и насыщая выбуренную породу, находящуюся на забое,
псевдоожижают ее. Забойный осадок расширяется и при достижении скорости
движения частиц в системе пены удаляется с поверхности забоя. Если
скорость омывания забоя пеной равна или выше скорости псевдоожижения
забойного осадка, забой будет равномерно и эффективно очищаться от
выбуренной породы.
Энергия, выделяемая при кавитации воздушных пузырьков в жидкости,
невелика, но сферическая сходимость энергий множества захлопывающихся
пузырьков позволяет получить высокую суммарную энергию, достаточную для
разрушения материалов весьма высокой прочности. Считают, что эрозия под
воздействием кавитации является следствием ударной волны, возникающей в
момент захлопывания жидкостью воздушного пузырька. Интенсивность ее
определяется величиной и числом ударных волн.
Исследования последних лет показали, что горную
породу можно эффективно разрушать методом кавитационной энергии. Было
показано, что горная порода эффективно разрушалась в течение 2—3 мин при
кавитации под гидростатическим давлением
17,5 кгс/см2.
Эрозия породы под действием кавитации вызывала образование трещин и
отрывы кусочков горной породы за доли секунды.
На рис. 55 и 56 показаны зависимости потери массы образца песчаника под
воздействием кавитации пузырьков воздуха в жидкости при различных
гидростатических давлениях.
Из рис. 56 видно, что на глубине примерно 900 м при гидростатическом
давлении 100 кгс/см2 скорость эрозии песчаника составляет 1200 г за 5 с.
Это эквивалентно бурению скважины диаметром 245 мм со скоростью 7,6 м/ч.
Экстраполяция скорости бурения методом кавитационной эрозии на глубине
3000 м показывает, что могут быть достигнуты механические скорости
бурения порядка 275 м/ч. Однако для инициирования кавитационных
процессов под гидростатикой, соответствующей глубине 3000 м, необходимо
волновое давление
порядка 340 кгс/см2 с интенсивностью акустического
излучения до 38,5 кВт/см2. Современные ультразвуковые излучатели не
позволяют создавать такой плотности излучения, что затрудняет реализацию
кавитационной эрозии для эффективного разрушения горных пород на больших
глубинах. Однако эти технические трудности могут быть решены по мере
разработки излучателей волн мощностью до 100—150 л. с.
Анализ приведенного материала показывает, что кавитационные процессы в
псевдоожиженных жидкостях можно успешно использовать для разрушения
горных пород при высоких гидростатических давлениях. На этой основе
может быть создан принципиально новый метод бурения глубоких скважин,
основанный на энергии кавитационно-волновых процессов.