Промывочные жидкости

Одним из основных технологических свойств промывочных жидкостей является плотность раствора. Она влияет на гидростатическое давление на забой и стенки скважины. При наличии в разрезе водо-, газо-, нефтепроявлений плотность раствора увеличивают, при наличии поглощающих горизонтов - уменьшают. Плотность промывочной жидкости измеряют с помощью рычажных весов или ареометров. В полевых условиях чаще всего используют ареометры АГ-1, АГ-2 и АГ-ЗПП (рис. 4.26), принцип действия которых основан на сравнении плотностей одинаковых объемов исследуемого раствора и воды.

Рис. 4.26. Ареометр АГ-ЗПП

Показателями реологических свойств, или свойств, связанных с сопротивлением деформированию и течению, служат вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига.  

Вязкость характеризует прокачиваемость буровых растворов, способность выносить шлам с забоя. Обычно измеряют динамическую, пластическую и условную вязкость. Динамическая вязкость определяется для растворов, не образующих структуры (пресная и соленая вода), пластическая - для вязко-пластичных жидкостей (глинистые растворы), условная вязкость - для любых растворов, главным образом в полевых условиях.

Динамическая и пластическая вязкость измеряется с помощью капиллярных или ротационных вискозиметров ВСН-3 (рис. 4.27), а условная - с помощью полевого вискозиметра СПВ-5 (рис. 4.28), состоящего из воронки 1 емкостью 700 см³, заканчивающейся латунной трубкой 2 с 5-миллиметровым отверстием, и из стакана 4. Отверстие латунной трубки снизу закрывают пальцем и в воронку через сетку 3 ковшом наливают испытуемый раствор до перелива через край. Затем под воронку подставляют мерный стакан 4 и, отнимая палец от отверстия трубки, пускают в ход секундомер. Время наполнения кружки в секундах характеризует условную вязкость данного раствора. Бурение в несложных условиях ведут, применяя глинистый раствор вязкостью 18-22 с. Для борьбы с потерей циркуляции промывочной жидкости вязкость раствора доводят до 40-50 с и более, вплоть до состояния «не течет».

Рис. 4.27. Схема вискозиметра ВСН-3:
1 – корпус; 2 – вискозиметр; 3 – стакан; 4, 10 – электродвигатель; 5, 8 – шестерни; 6 – шкала; 7 – пружина; 9 – коробка передач

Рис. 4.28. Полевой вискозиметр СПВ-5

Предельное статическое напряжение сдвига буровых растворов (глинистых, нефтеэмульсионных и др.) - это способность их образовывать структуру, застудневать в состоянии покоя и переходить в подвижное состояние при перемешивании. Это свойство растворов называется тиксотропностью. Различают статическое напряжение сдвига (СНС) и динамическое напряжение сдвига (ДНС). Наличие структуры обусловливает его способность удерживать шлам, утяжелитель и газ во взвешенном состоянии. Динамическое и статическое напряжение сдвига, зависимость напряжений от скорости сдвига определяют на приборах ВСН-3 (см. рис. 4.27) и СНС-2, принципиальная схема которого аналогична схеме ВСН-3. Для измерения СНС вискозиметр заполняют глинистым раствором и оставляют в покое на 1 мин. Затем включают электродвигатель 4, который приводит стакан 3 во вращение с частотой 0,2 об./мин. По шкале 6 наблюдают за вращением цилиндра, который, будучи связан с образовавшим структуру раствором, вовлекается во вращение до тех пор, пока усилие в пружине 7 не станет равным усилию сцепления раствора со стенками цилиндра. В этот момент структура раствора разрушается, вращение цилиндра прекращается. Угол закручивания пружины отмечают по шкале. Второе измерение производят аналогично после выдержки раствора в приборе в течение 10 мин.

Статистическое напряжение сдвига (в Па) определяют по формуле:

θ = nΔφ,

где n - постоянная для данного прибора; Δφ – угол закручивания, º.

Чем больше отношение θ10/θ1, тем лучше тиксотропные свойства глинистого раствора. Для нормальных глинистых растворов θ1 = 1,5 - 2,5 Па, для утяжеленных - 4-6, для растворов в целях предупреждения поглощений-10-20 Па. Для характеристики фильтрационных свойств, т.е. свойств, связанных с проникновением компонентов раствора в контактирующие с ним горные породы и пласты с образованием фильтрационной корки используют показатель фильтрации и толщины корки. В полевых условиях показатель фильтрации (водоотдача - количество воды в см3, отфильтровавшейся в течение 30 мин из 100 см³ глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа) измеряют с помощью прибора ВМ-6 (рис. 4.29). Для измерения водоотдачи стакан 1 заполняют раствором. На стакан наворачивают цилиндр 6, в который вводят плунжер 7 с напорным цилиндром 10. После этого вынимают пробку 3 и одновременно фиксируют время. В результате давления, создаваемого плунжером, свободная вода из глинистого раствора проходит через фильтровальную бумагу в кольцевую емкость основания 4. Отсчет водоотдачи снимают через 30 мин по шкале против метки напорного цилиндра. Толщину корки измеряют на фильтровальной бумаге после разборки прибора.

Рис. 4.29. Прибор ВМ - 6

При бурении в нормальных условиях водоотдача не должна превышать 20-25 см3 за 30 мин, в осложненных условиях посредством химической обработки водоотдачу снижают до 5-6 и даже 2-3 см³.

Толщина корки считается нормальной в пределах 2-3 мм. Для характеристики коррозионных, антикоррозионных свойств растворов, вызывающих коррозию бурильной колонны или соответственно защищающих ее от воздействия агрессивных сред, измеряют водородный показатель рН, характеризующий кислотность рН < 7 (интенсифицируется коррозия стальных труб) или щелочность рН > 7 (коррозия алюминиевых труб). Состав и содержание твердой, жидкой и газообразной фаз в буровом растворе определяют загрязненность бурового раствора песком и недиспергированными частицами глины и других горных пород. С их ростом увеличивается износ бурильных труб, долот, забойных двигателей, насосов, очистных устройств и др. Измеряют этот показатель с помощью отстойника типа ОМ-2 (рис. 4.30), в который заливают 50 см³ глинистого раствора и 450 см³ воды (до уровня отверстия 2 в верхней части корпуса 3 отстойника). После энергичного взбалтывания отстойник устанавливают вертикально и оставляют в покое на 1 мин. Объем (в см3) осевшего за это время песка в бюретке (пробирке 4) умножают на два и получают содержание песка, выраженное в процентах к объему пробы промывочной жидкости. Предельно допустимое содержание песка в промывочной жидкости - 4%.

Рис. 4.30. Металлический отстойник ОМ-2

Важным свойством промывочных жидкостей является кинетическая устойчивость - способность бурового раствора сохранять длительное время свойства стабильными. Для этого определяют:

• стабильность - путем измерения плотностей верхней и нижней частей пробы раствора, выдержанного в течение суток. Если разность плотностей для нормальных и утяжеленных растворов не превышает соответственно 20 и 60 кг/м³ растворы считаются стабильными;
• седиментационную устойчивость - оценивается по количеству отделившейся за сутки дисперсионной среды из определенного объема раствора (100 мл) в результате гравитационного разделения его компонентов. Устойчивость выражается в процентах.

Кроме названных определяют также противоизносные, смазочные, теплофизические и электрические свойства (но, как правило, не в полевых условиях).