Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ направлений совершенствования технологии промывки скважин при геологоразведочном бурении и постановка задач исследова ний 9
1.1. Требования, предъявляемые к функциональному назначению промывочных жидкостей 9
1.2. Промывочные жидкости для геологоразведочного бурения и пути направления их совершенствования 23
1.3. Постановка задач исследований 35
2. Методика экспериментальных исследований 37
2.1. Оценка ингибирующих свойств 38
2.2. Оценка смазочных свойств промывочной жидкости 40
2.3. Контроль структурно-реологических параметров 41
2.4. Флотационная активность 44
2.5. Пенообразующая способность 45
2.6. Коррозионная активность 45
3. Исследование остаточных продуктов и их влияние на свойства промывочных жидкостей 48
3.1. Продукты нефтеперерабатывающей промышленности 48
3.2. Продукты лесоперерабатывающей промышленности 54
3.3. Продукты масложировой промышленности 63
3.4. Продукты химической промышленности 64
3.5. Функциональные свойства исследуемых продуктов 69
3.5.1. Смазочная активность 69
3.5.2. Ингибирующие и диспергирующие свойства 72
3.5.3. Структурно-реологические характеристики 75
3.5.4. Модификация глинопорошков 78
3.5.5. Анализ результатов исследований 86
4. Исследование и разработка композиций промывочных жидкостей с использованием таллового пека и лигнина Усть-Илимского ЛПК 93
4.1. Характеристика продуктов 93
4.1.1. Технология получения таллового лигнина Усть-Илимского ЛПК 95
4.1.2. Технология получения таллового пека Усть-Илимского ЛПК 96
4.1.3. Характеристика омыленного таллового лигнина Усть-Илимского ЛПК 97
4.2. Исследование свойств таллового пека и лигнина Усть-Илимского ЛПК в составах буровых промывочных жидкостей 99
4.2.1. Смазочная активность 99
4.2.2. Коррозионная активность 101
4.2.3. Ингибирующая способность 102
4.2.4. Пенообразующие свойства 103
4.2.5. Стабильность эмульсий в жестких и минерализованных водах 105
4.2.6. Нитрованные продукты 106
4.2.7.Флокулирующая активность 109
4.2.8. Исследование свойств полимерных и малоглинистых растворов 110
4.2.9. Санитарно-гигиеническая оценка продуктов таллового пека и лигнина 113
5. Методические рекомендации по применению промывочных жидкостей для геологоразведочного бурения на основе таллового пека и таллового лигнина 114
Выводы 124
- Промывочные жидкости для геологоразведочного бурения и пути направления их совершенствования
- Контроль структурно-реологических параметров
- Функциональные свойства исследуемых продуктов
- Исследование свойств таллового пека и лигнина Усть-Илимского ЛПК в составах буровых промывочных жидкостей
Введение к работе
Интенсификация процессов геологоразведочного бурения, применение прогрессивных технологий алмазного бурения определяют повышенные требования к технологии промывки скважин, используемым видам очистных агентов и их технологическим параметрам, техническим средствам приготовления и регенерации, методике регулирования свойств в процессе приготовления и циркуляции.
Увеличение объемов бурения глубоких геологоразведочных скважин (до 3000м), применение алмазного породоразрушающего инструмента, эффективно работающего при частоте вращения снаряда до 1600 мин _1, уменьшение зазора между колонной бурильных труб и стенками скважины, применение съемных керноприемников обусловливают дополнительные требования к составам промывочных жидкостей.
Желательно, чтобы промывочные жидкости содержали в своем составе компоненты из многотоннажных и недефицитных продуктов химической промышленности, для снижения транспортных расходов выпускались преимущественно в твердом виде, были технологичны при приготовлении и совмещались с широко применяемыми в геологоразведочном бурении химическими реагентами, при этом удовлетворяли санитарно-гигиеническим требованиям и не загрязняли окружающую среду.
Недостаточный ассортимент и объемы серийного производства эффективных смазочных и противоизносных добавок, реагентов, снижающих набухание глинистых пород, ограничивают совершенствование промывочных жидкостей для высокочастотного алмазного бурения. Разработанные ВИТРом эмульсолы и концентраты ЭЛ-4, ЭН-4, Ленол-10, Ленол-32, Морозол-2 содержат в своем составе дефицитные материалы и выпускаются в недостаточном для отрасли количестве. Наиболее полно требованиям геологоразведочного бурения удовлетворяют эмульсионные, полимерные, полимер-эмульсионные, полимер-глинистые промывочные жидкости на основе полифункциональных pea-
6 гентов, регулирующих одновременно несколько качественных показателей.
В связи с практическими потребностями геологоразведочного бурения, вызванными осуществлением крупного организационно-технического мероприятия - переходом при разведке твердых полезных ископаемых на бурение скважин малого диаметра, и соответствующим перевооружением отрасли, весьма актуальным является разработка методических рекомендаций и регламентация составов промывочных жидкостей для любых геолого-гидрохимических условий. Проблема сегодня заключается, главным образом, в рациональном использовании уже имеющихся химических реагентов и создании новых, полифункциональных, регулирующих одновременно несколько качественных технологических показателей промывки скважины и разработанных на основе недефицитных, легкодоступных и многотоннажных остаточных продуктов химической промышленности, образующихся в регионах концентрации буровых работ и позволяющих сократить транспортные расходы.
Научно обоснованный подход к решению вопросов оптимизации компонентного состава, основанный на изучении совместимости реагентов и имеющихся сырьевых возможностей, целенаправленном выборе рабочих концентраций для конкретных условий бурения (гидрогеологических, геолого-технических), разработке методических руководств или инструкций по технологии промывки, позволяет создать эффективные полифункциональные промывочные системы.
Характерные особенности таких систем: значительная экономия реагентов, высокая смазочная способность, устойчивость к солевой агрессии, стабилизирующее действие на неустойчивые горные породы при сохранении реологических и гидравлических параметров - позволяют прогнозировать их высокую экономическую эффективность в широком диапазоне условий геологоразведочного бурения. За критерий оптимизации номенклатуры промывочных агентов целесообразно принять время сооружения скважины и стоимость одного метра бурения.
Анализ обеспеченности химическими реагентами и материалами геологоразведочных организаций Восточной Сибири и Дальнего Востока по большинству производственно-геологических объединений региона свидетельствует не только об ограниченной номенклатуре применяемых реагентов, но и, главным образом, о недостаточном, всего лишь на 50-60% удовлетворяющем потребности, объеме поставок.
Использование отходов и остаточных (многотоннажных) продуктов химических производств или их производных в процессе бурения не только экономически обоснованно, но и позволяет решить вопросы утилизации отходов и сохранения экологического равновесия природной среды.
Кроме того, применение этих продуктов снижает стоимость реагентов, что в условиях рыночной экономики и платного недро-пользования становится превалирующим фактором. В настоящее время доля государственного участия в геологоразведочных работах (включая НИР, сбор, обработку, хранение информации) составляет порядка 20% [57] и имеет тенденцию к снижению. В период реформирования отечественной геологоразведочной отрасли конъюнктура рынка, видимо, будет определять поиск буровыми предприятиями наиболее дешевого сырья для получения промывочных жидкостей. В этом плане исследования по оценке остаточных продуктов химпроизводств для получения и регулирования свойств промывочных жидкостей актуальны, а разработка новых эффективных реагентов и постановка их на производство расширяет сырьевую базу химически активных добавок [31].
Во многих отраслях промышленности: химической, нефте- и лесоперерабатывающей, масложировой и др. - образуется огромное количество различных отходов и побочных продуктов, большая часть которых уничтожается или вывозится в отвалы. На утилизацию таких отходов приходится более 8-10% стоимости основной продукции. В утилизации отходов заинтересованы как отрасли, где они образуются, так и отрасли, где они могут быть использованы. С одной стороны, это освобождает предприятие от обременительных от-
ходов производства, хранение которых, как правило, связано с существенными затратами и загрязнением окружающей среды. С другой, смягчает напряженность в расширении ассортимента химических реагентов для использования их по другому функциональному назначению, в частности, материалов для бурения скважин, расширяет сырьевую базу, улучшает размещение производства, высвобождает земли, используемые для утилизации (захоронения) [67].
Промывочные жидкости для геологоразведочного бурения и пути направления их совершенствования
Эмульсии - это коллоидные композиции, состоящие из двух (или нескольких) не смешивающихся в обычных условиях между собой жидкостей (например, масло и вода), из которых одна (дисперсная фаза) раздроблена до капель и равномерно распределена в объеме другой (дисперсионной среды). Для обеспечения стабильности в состав эмульсий входят поверхностно активные вещества (ПАВ). По существу, эмульсии, применяемые в бурении, представляют собой водные растворы ПАВ, в которых диспергировано (распределено) масло. В качестве масляной фазы используются нафтеновые масла (трансмиссионные, веретенные и др.), жировые гудроны, талловые масла. ПАВ представляют собой водорастворимые вещества анионактивного типа (натриевые и калиевые мыла синтетических жирных кислот (СЖК), смоляных кислот, аксидолы, сульфанолы, сульфонаты) и неионогенного типа (оксиэтилирован-ные фенолы ОП-7, ОП-10; оксиэтилированные жирные кислоты ОЭК и жирные спирты ОЖС). ПАВ, являющиеся эффективными эмульгаторами и стабилизаторами масляной фазы в водной среде, обеспечивают диспергирование капелек масла во взвешенном состоянии. Эти эффекты достигаются вследствие адсорбции дефильных молекул ПАВ на границе раздела масло-вода с определенной ориентацией (углеводородная часть молекулы или иона погружена в масло, полярная в воду), что приводит к снижению поверхностного натяжения и образованию плотного слоя молекул (ионов) ПАВ на поверхности капель масла, который препятствует их слиянию (коалесценции) при столкновении [66]. ПАВ, ад-сорбируясь на трущихся поверхностях (элементы бурового снаряда, породораз-рушающий инструмент, стенки и забой скважины), обеспечивают смазочные свойства ЭПЖ, улучшают охлаждающую и флотирующую способность. Одновременно с образованием собственно адсорбционного слоя, молекулы ПАВ способствуют перемещению капель масла ЭПЖ на взаимодействующие поверхности. При этом нарушенные адсорбционные слои, которые разобщают трущиеся поверхности и обладают смазочными свойствами, способны мгновенно восстанавливаться активными молекулами ПАВ, образуя новый слой смазки, по которому происходит скольжение. Процесс бурения происходит в жидкой среде, что исключает сухое трение и способствует образованию граничного и даже жидкостного трения [55].
ЭПЖ используются как в отечественной практике, так и за рубежом [15] при бурении устойчивых горных пород как высокоэффективные антифрикционные (антивибрационные) средства, превосходящие по уровню смазочной способности другие виды ПЖ на водной основе. Они обеспечивают в сравнении с водой уменьшение вибраций, износа и коррозии бурильных труб; снижение удельных энергозатрат на разрушение породы и мощности привода станка; увеличение стойкости алмазных коронок в 2-3 раза (иногда до 30 раз) [22]; рост механической скорости бурения; повышение эффективности отбора керна и практически полное удаление шлама из забойной зоны. Значительно усиливать смазочный эффект при бурении с ЭПЖ позволяют консистентные смазки, наносимые на поверхность бурильных труб. Исследованиями установлено, что хорошими смазочными добавками к растворам на водной основе являются предельные и непредельные карбоновые кислоты, содержащие восемь и более атомов углерода [53]. По зарубежным источникам, использование буровых растворов со смазочными добавками на основе жирных кислот и их производных способствовало существенному повышению эффективности бурения. В отдельных случаях отмечается трехкратное увеличение проходки на долото [42]. Большой вклад в решение проблемы повышения износостойкости бурового инструмента в среде буровых растворов со смазывающими добавками внесли труды исследователей институтов нефтяной промышленности Укр ГИПРОНИИ нефть, ВНИИКРнефть, МИНХ им. Губкина, ВНИИБТ, ВостСибНИИГиМСа, по результатам исследований были предложены универсальные смазочные добавки к буровым растворам: СМАД и СГ (смесь гудронов) [9, 19, 24, 61]. Жирные кислоты, иначе называемые карбоновыми, характеризуются наличием в их молекулах карбоксильной группы (СООН). Часть свободных кар-боновых кислот переходит в водорастворимые натриевые мыла, реагируя с гидроокисью натрия: RCOOH + NaOH - RCOONa + Н20. Неомыленные остатки свободных жирных кислот и их сложных эфиров легко эмульгируются в растворе ПАВ, создавая устойчивую эмульсию с высокой поверхностной активностью и хорошими смазочными свойствами. ЭПЖ на основе жирных кислот представляют собой многокомпонентную систему, состоящую из раствора ПАВ (натриевые мыла высокомолекулярных жирных кислот растительного и животного происхождения) и эмульгированной в нем смазочной добавки — не-омыленных остатков свободных жирных кислот и их сложных эфиров. СМАД представляет собой смесь окисленного петролатума с дизельным топливом в соотношении от 1:1 до 1:3. Окисленный петролатум является продуктом окисления парафинов и церозинов, извлеченных из нефти. Противоизносные характеристики растворов с добавками продуктов растительного и животного происхождения (СГ, талловое масло, фузы черно-хлопкового масла, кубовые остатки канифольно-экстракционного производства), исследованные учеными [108], оказались выше, чем у растворов нефтяного происхождения. Смазочные добавки СМАД и СГ рекомендованы и регламентированы [47] в настоящее время для обработки всех типов буровых растворов, применяемых при строительстве нефтяных скважин. Дальнейшие исследования авторов были направлены на создание смазочных добавок высокоэффективных в высокощелочных растворах — этерифи-цированных продуктов СГ. Этерификацию жирных кислот смеси гудронов осуществляли метиловым, этиловым, бутиловым спиртами в присутствии катализатора реакции концентрированной серной кислоты. Полученная добавка ЭПСГ обеспечивает наиболее смазочные свойства в растворах с рН = 9-9,5. Для условий алмазного геологоразведочного бурения в ВИТРе совместно с ВНИИПЛнефтихим разработаны и поставлены на производство эмульсолы и концентраты на основе анионактивных и неионогенных ПАВ [48], эффективность их определяется геолого-гидрохимичскими условиями месторождения и уровнем жесткости и минерализации подземных вод. Производство эмульсолов ЭЛ-4 осуществляется лесохимическим заводом, ЭН-4 - опытным нефтезаводом им. Шаумяна г. Санкт-Петербург, концентратов Ленол-10, 32, СОЖ - Рижским заводом смазок и СОЖ.
Максимальное снижение вибрации колонны бурильных труб при высокочастотном алмазном бурении достигается совместным применением ЭПЖ и консистентных смазок, которые являются своеобразным амортизатором, поглощающим энергию ударов бурильных труб о стенки скважины и снижающим действие поперечных колебаний. Промышленное изготовление антивибрационных смазок КАВС организовано Опытным заводом ЦНИЛХИ и заводом «Вахтан» (Горьковская область). Повышенную стойкость в щелочных растворах имеет смазка КАВС- 40. Интенсификация процесса алмазного бурения может быть обеспечена применением форсированных режимов с использованием ЭПЖ в сравнительно устойчивых разрезах. В настоящее время применяемые в отрасли концентраты Ленолы относятся к малотоксичным соединениям [22], а антивибрационные смазки КАВС запрещены к применению в странах с жесткими требованиями гигиенических, водохозяйственных норм и правил [80]. Поэтому исследовательские работы по расширению ассортимента смазочных добавок должны быть ориентированы в первую очередь на безвредные, экологически чистые продукты. Кроме того, выпуск смазочных концентратов осуществляется в западных регионах страны и уже вне России (г. Рига), поэтому целесообразно оценить и исследовать продукты химической промышленности Восточной Сибири с точки зрения производства смазок, не уступающих по своим функциональным назначениям эмульсолам и концентратам, но более дешевых и приближенных к регионам бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Анализ патентных источников рецептур буровых растворов в США и Канаде показывает, что фирмы - производители стремятся поставлять на рынок относительно дешевые промывочные жидкости и реагенты, отличающиеся стабильностью свойств, низкой токсичностью, а также хорошими смазывающими свойствами. Особое внимание разработчиков привлекают две последних характеристики [69].
Контроль структурно-реологических параметров
Оценка реологических свойств ПЖ имеет особенно важное значение при бурении глубоких скважин структурированными ПЖ. Измерение этих свойств, за исключением УВ и 6 і/ю, осуществлялась по методике ВНИИБТ [104] на ротационном вискозиметре ВСН - 3. На основе современных представлений о физико-химической природе ПЖ как тиксотропных, дисперсных систем, учета условий их деформирования ( в скважинах и достижений в области физико-химической механики создан теоретически обоснованный метод исследования, анализа, контроля и управления процессами структурообразования и пластично-вязкого течения этих дисперсий [103]. На основе общих представлений для практического контроля ПЖ рекомендованы следующие зависимости и характеристики: 1) нисходящая структурная ветвь равновесной реограммы в интервале скоростей, наиболее часто встречаемых на практике (30-100 с-1); 2) параметры прямой постоянных структур и коэффициент К, соответствующие максимальному из выбранных скоростей сдвига. Исследование реологического поведения большого числа типов промышленных промывочных дисперсий, используемых на практике, показало, что в рабочем интервале скоростей от 50 до 1000 обратных секунд кривые течения могут быть описаны уравнением Бингама.
Разработка методов и средств определения реологического поведения промывочных глинистых дисперсий позволила провести комплекс исследований с целью установления общих закономерностей изменения дисперсных структур под воздействием различных факторов: состава, концентрации и физико-химических характеристик дисперсных фаз, ПАВ, электролитов, температуры и давления. Это дало возможность разработать методы управления ПЖ применительно к задачам бурения [89]. При контроле качества этих дисперсий, вязкостная и пластическая составляющая сопротивления сдвигу, например Рк2 и т] т, обычно рассматриваются раздельно, что не позволяет оценить физико-химическое состояние этих систем. В связи с этим, для контроля и регулирования промывочных дисперсий, поскольку само определение Р и г/ т для этого недостаточно, предложено использовать параметры корреляционных кривых на плоскости вязко пластического состояния этих систем, например Рк2 и rj m, отражающей все многообразие реологических свойств пластично-вязких ньютоновских жидкостей. Эти кривые могут быть получены в результате перемещения характеристической точки «М» какой-либо дисперсии под воздействием факторов, изменяющих ее состояние (рис. 2.1). Все измерения проводились на 10% растворе Ильского бентонита. На кривой разбавления эта точка была выбрана за характеристическую.
Поскольку все кривые разбавления Рк2-Гт сходятся в весьма узком интервале величин, r\m min было принято постоянным и равным 1,8 сПз. При расчетах были использованы следующие формулы: .fiZSL.jO-.Iw цт - пластическая вязкость; фі и ф2 - углы при скорости вращения 600 и 300 мин"1 наВСН-3. Ркг= А Рг 27ll) 10"3 гДе Ркг - динамическое предельное напряжение сдвигу; А - постоянная вискозиметра ВСН-3; tga= —!a-.— Чт 1т min Наиболее приемлемыми для анализа являются корреляционные кривые разбавления. Параметры этих кривых по построению не зависят от содержания основного компонента дисперсионной среды, воды, и являются коэффициентами коагуляционного структурообразования, так как отражают физико-химическое состояние системы. Так как в интервале консистенций, используемых на практике, кривые разбавления любых дисперсий представляют собой прямую, то коэффициентами структурообразования являются tga(или П) и 7І,- Эти коэффициенты определяют взаимосвязь между вязкостной и пластической составляющими сопротивления сдвигу. Чем более структурирована дисперсия, тем круче располагается кривая разбавления, тем больше коэффициент П, величина которого характеризует градиент развития пластической деформации для данного типа коагуляционной структуры. Стабилизация системы приводит к уменьшению П.
Представленная методика позволяет формально разделить и количественно оценить концентрационный и стабилизационный эффекты при обработке и нагреве дисперсий, что необходимо для определения оптимального расхода реагентов и сопоставления их эффективности. Чем менее активен реагент, тем меньше угол ф, т.е. тем больше такая обработка напоминает эффект простого разбавления. Исследование положения и перемещения характеристической точки на плоскости вязкопластического состояния Рк2 - tj m дало возможность не только делать обоснованные выводы о степени коагуляции ПЖ, но и предвидеть изменение их реологических свойств под воздействием различных факторов, и следовательно, иметь основу для управления их структурно-механическими свойствами. 2.4. Флотацііонная_акти_вндсть Флотационная (выносная) способность ПЖ основана на избирательном взаимодействии воздуха с минеральными частицами, взвешенными в растворе. Флотация шламов осуществлялась на лабораторной флотационной машине пневматического типа с объемом камеры 150 см3. Перемешивание пульпы и диспергирование проводилось вращающейся мешалкой. Скорость вращения мешалки при кондиционировании пульпы - 700 - 800 мин -1 , а скорость при кондиционировании с аэрацией - 2000 мин \ При определении выхода шлама в пену был использован объемно насыпной метод [29]. Относительное количество шлама, перешедшего в концентрат, определялось по формуле: у = —-100%, где ш Q - количество перешедшего в концентрат шлама, мг; Рш - навеска шлама, мг. 2.5. Пенообр_аззтоіная спрі бнр_схь.. При исследовании пенообразующей способности в лабораторных условиях пену получали путем взбалтывания пенообразующего раствора в сосуде с помощью мешалки. В стакан емкостью 1000 мл наливался один и тот же объем (100 см ) раствора пенообразователя и вспенивался пропеллером со скоростью 2800 мин-1. Длительность вспенивания - 5 мин, из которых в течение 3 мин. стакан с раствором находится в закрепленном состоянии, а 2 минуты стакан с пеной перемещается вверх и вниз. Затем пена быстро переливается в цилиндр, измеряется объем пены, включается секундомер и определяется время выделения 50 см3 пенообразующей жидкости. Параметры пены рассчитываются по следующим формулам: у 1) кратность пены: Кп=——, где V„ - объем пены; Уж - объем жидкости; 2) по объему, времени выделения пенообразующей жидкости определяется 50 , скорость разрушения пены: VCD = —, см/с; 3) устойчивость пены определяется по скорости выделения из нее пенообра зующей жидкости: S = —, с/см3. 2.6. Крргзозир ная.активнрсть Определение скорости коррозии проводилось на образцах сплава Д16Т, вырезанных из трубы ЛБТН - 54 по ГОСТ 9.017-74. Величина скорости коррозии вычислялась по формуле: V = — -, мг/(см2-сут), где m о - масса образца до испытаний, мг; m і - масса 3 t образца после удаления продуктов коррозии, мг; S - площадь поверхности образца, см2; t — время выдержки образца в растворе, сут. В каждый из исследуемых растворов опускалось по 3 образца ЛБТ, по которым вычислялась средняя скорость коррозии [99].
Методика определения эмульгируемости смазочных добавок в минерализованных (NaCl, Na2S04) и жестких (СаС12) водах осуществлялась по ТУ 3841-79 визуально. В стакан наливали 100 мл воды заданной жесткости или минерализации и при перемешивании на магнитной мешалке добавляли исследуемые смазочные добавки. Эмульсия перемешивалась в течение 5 мин. и затем переливалась в мерный цилиндр. Стабильность определялась визуально через 24 часа. Раствор считался стабильным, если через 24 часа он не расслаивался и не коагулировал. По степени минерализации природные воды подразделяются (ГОСТ 17403-73) на пресные (минерализация до 1 г/кг), солоноватые (минерализация от 1 до 25 г/кг), соленые (от 25 до 50 г/кг)и рассолы (минерализация более 50 г/кг). Мерой содержания в воде ионов кальция и магния является жесткость, выраженная в миллиграммах-эквивалентах на литр воды. По величине жесткости природные воды разделяются на: очень мягкие (до 1,5 мг-экв./л), мягкие (от 1,5 до 3 мг-экв./л), умеренно жесткие (от 3 до 6 мг-экв./л), жесткие (от 6 до 9 мг-экв./л) и очень жесткие (более 9 мг-экв./л).
Функциональные свойства исследуемых продуктов
Большинство исследованных продуктов имеют хорошие смазочные свойства. Если в предыдущем разделе оценка смазочных свойств растворов, обработанных ОП, производилась выборочно, чтобы в принципе определить характер воздействия реагентов на те или иные типы растворов, то в настоящем разделе приведена сравнительная оценка ОП, приготовленных по единой методике. Исследованы на смазочную активность ЭПЖ и МГР растворы по указанной методике (гл. 2.2) на четырехшариковой установке СР-1. ЭПЖ приготавливались при перемешивании в течение 30 мин на технической воде с 0,5; 1; 2; 3; 4; и 5% содержанием продукта. Для приготовления МГР использовалась глинистая суспензия следующего состава, %: 5 бентонитового порошка + 0,2 соды. К исходному раствору добавлялись продукты в концентрации 0,5; 1; 2; 3; 4; и 5%. Для этого ряда концентраций в эмульсионных и малоглинистых растворах определялся диаметр пятна износа и / Значения этих величин приведены в табл. 3.23. За базу сравнения был взят/воды, равный 0,5. Исходя из величин/ воды и /продукта была рассчитана кратность их отношений «n»: п =/воды // продукта. Эта величина использовалась как сравнительный критерий смазочной активности исследуемых продуктов.
Кривые зависимости/от концентрации продукта в ЭПЖ представлены на рис 3.1, в малоглинистых растворах - на рис 3.2. Отклонение концентрации от оптимального значения в сторону увеличения не приводит к дальнейшему уменьшению/ а в некоторых случаях даже увеличивает/ Диапазон рабочих концентраций для каждого вещества индивидуален. При этих концентрациях завершается формирование адсорбционного смазочного слоя, не достигающего предела насыщения на границе раздела фаз. Насыщенный адсорбционный смазочный слой обладает большей эластичностью, чем перенасыщенный адсорбционный слой, соответствующий концентрациям выше оптимальной. Наибольшую смазочную активность ОП проявляет группа продуктов нефтепереработки. Из них высокие смазочные свойства показали ГДН и ЛК, которые независимо от типа растворов в шесть раз снизили / по сравнению с водой при оптимальной концентрации, равной всего 0,3-1. Менее активными, чем названные продукты, следует признать НШ и ПШ,/для которых равен 4 (для эмульсий) и 1,5-2 (для МГР). Рабочая концентрация нефте- и пеношлама, равная 3-5%, является наибольшей в ряду всех групп ОП. Низкая смазочная активность продуктов нефтеловушек (сырая нефть): кратность/всего 2-3 единицы при рабочей концентрации 1-3%. Особое положение как активные смазки занимают продукты ОТП, ТП и ОТЛ. Причем, они проявляют себя одинаково как в эмульсионных, так и в малоглинистых растворах. Так, п в эмульсиях равно 4,5-5, а МГР - от 2 до 4 при концентрации 1-2%. Последним в ряду продуктов переработки древесины по своим свойствам располагается ЛС (кратность отношений - 2, рабочая концентрация - 1-3%). Оба представителя группы ОП масложирового производства - ОЖГ и со-апсток (взят для сравнения) - показали высокие смазочные свойства. ОЖГ является одной из самых эффективных смазок: «п» в эмульсиях равна 6, в МГР — 5, рабочая концентрация равна 1-2%. Что же касается характера изменения диаметра пятна износа для всех ОП, то можно сделать вывод, что он находится в прямой зависимости от смазочной способности вещества (чем меньше/, тем меньше диаметр пятна износа) и в дальнейшем может быть исключен в качестве критерия смазочной активности.
Смазочная активность и противоизносные свойства сополимера ДВБ-СТ имеют свои особенности. Как отмечалось выше, величина износа труб с 1% содержанием сополимера в 10 раз меньше, чем при промывке с исходным раствором. Поскольку сополимер инертен к применяемым в геологоразведочном бурении ПАВ и полимерам, так как не подвергается деструкции и растворению при взаимодействии с химически активными веществами, он может быть использован в различных типах ПЖ, способных удержать его во взвешенном состоянии. По результатам исследований рекомендуются системы на основе ГПАА. 3.5.2. -. Способность очистного агента замедлять или предотвращать деформационные процессы в околоствольном пространстве скважины определяется его ингибирующей способностью, которая косвенно характеризует и диспергирующую активность. Ингибирующие свойства ОП оценивались по величине показателя набухания глинистых пород в исследуемых системах в сравнении с эталонной жидкостью по методике (глава 2.1). ОП использовались в виде 0,2-1,5% водных растворов.
Наибольшее снижение величины и скорости набухания глин в ряду использованных продуктов достигается в присутствии пластификатора. При этом К] уменьшается на 49,1%, К2 - на 46,%, a W - на 50%. Пластификатор относится к высокомолекулярным соединениям акрилового ряда. Подобные полимеры обладают значительной адсорбционной способностью по отношению к глинистым частицам, поэтому образующийся на поверхности глины сольватный слой большей толщины, чем толщина гидролизного слоя, создает условия, предотвращающие активное набухание глинистых частиц. Пластификатор дополнительно был изучен при концентрациях 0,5; 1; 1,5%. Данные, приведенные в табл. 3.24, соответствуют его оптимальному содержанию - 1%.
Исследование свойств таллового пека и лигнина Усть-Илимского ЛПК в составах буровых промывочных жидкостей
Смазочная активность талловых продуктов оценивается по двум критериям: это низкое сопротивление контактируемых поверхностей тангенсальным силам сдвига, оно определялось на машине трения СР-1 по коэффициенту трения, и износостойкость в узлах трения при приложении внешних нагрузок, определявшееся на машине трения СМЦ-2 по величине момента трения (глава 2). Результаты исследований даны в сравнении с эмульсолом ЭН-4 и концентратом Ленол-32. Перевод 777 и ТЛ в водорастворимое состояние приведен в табл. 4.2. Кроме этого, можно использовать реагенты, имеющие щелочную реакцию. Лучшие показатели смазочной активности имеют композиции ОТЛ с РЖ-8, эмульсии образуются стабильные и устойчивые во времени. 777 хорошо растворяется в дизельном топливе, добавка Е-24 к этому концентрату делает его растворимым в воде. В этих эмульсиях через сутки на поверхности образуется концентрированный слой - «сливки», которые при перемешивании эмульгируют. В целом эмульсии стабильные. Таким образом, получение стабильных эмульсий с высокой смазочной активностью возможна как на основе 777 и 777, так и их водорастворимых состояний ОТП и ОТЛ.
Сравнительная характеристика эмульсолов и концентратов с полимерами и талловых продуктов приведена в табл. 4.4. ОТЛ по смазочной активности превосхоит ЭН-4 и ОТП и сравним с Ленолом-32, эта же закономерность прослеживается при изменении противоизносных свойств. При одинаковой концентрации смазочной добавки в 1% эмульсионных растворах при нагрузке 120 даН на СМЦ-2 момент трения соответственно равен: ОТЛ- 33; ОТП — 35; ЭН-4 - 38,5; Ленол-32 - 31 даН-см (см табл. 4.5). Коррозионная активность промывочного агента зависит от величины водородного показателя: для стальных труб повышение рН раствора положительно сказывается на снижении коррозии, для ЛБТ - угнетающе; электродного потенциала материала труб, вызывающего активные электрохимические процессы, особенно проявляющиеся при бурении на соленасыщенных растворах; содержания в растворе свободного кислорода (степень аэрации); количества микрофлоры и ее активности, которую определяет вид применяемого полимера [89]. Для легкосплавных труб (сплав Д16Т) распределение полимерных реагентов по коррозионной активности является обратной по отношению к стальным трубам: ПАА, ПЭО, крахмал, КССБ, КМЦ, М-14, метас и ОЭЦ. Кроме того, полимеры и соли поливалентных металлов могут замедлять коррозионные процессы за счет пассивации поверхностного слоя труб с образованием защитной пленки толщиной 50-100 А. Результаты коррозионной активности исследуемых реагентов иллюстрированы графиком на рис. 4.4.
Коррозионно агрессивны эмульсии с ОТЛ; ОТП и ЭН-4 сравнимы по своей активности; меньше коррозирует ЛБТ в концентрате Ленол-32. Эти процессы можно объяснить тем, что ОТЛ в концентрациях 0,5-3% является лучшим химическим аэратором, чем ОТП для этих же концентраций. За счет лучшей пенообразующей способности ОТЛ в растворе содержится больше свободного кислорода и окислительные процессы идут интенсивнее. ЭН-4 и Ленол-32 содержат в своем составе индустриальное масло и ПАВ неионогенного типа, водная фаза которых эмульгирована в углеводородной среде и не контактирует с поверхностью труб. Снизить коррозионную активность ОТЛ можно пеногасителем, например ПШ, НШ. 4.2.3. ШшиЗ.ШУ.19Щ9 ..ЯШЯ93.ШЯЇШ-.. Сравнительная оценка ингибирующих свойств реагентов была проведена по вышеизложенной методике и отображена результатами табл. 4.6. По всем показателям ОТЛ превосходит ОТП, ГКЖ-11, Ленол-32 и может быть рекомендован для вскрытия потенциально неустойчивых глинистых пород. Как пенообразующие ПАВ эти продукты действуют при концентрации ОТЛ- 1,5-2,5%, ОТП- 3-4,5% , (табл. 4.7, рис. 4.5). Для условий бескернового бурения и частичных поглощений кратность пены К=4,6-5,2 достаточна для качественного удаления крупнообломочных фракций породы и предупреждения вскрытия поглощающих горизонтов в зонах пониженного пластового давления. Одновременно были определены инги-бирующие свойства сульфонола и Пенола. Коэффициенты набухания глин в однопроцентных растворах исследуемых ПАВ аналогичны коэффициенту набухания глин в воде, а добавка ОТЛ снижает коэффициент набухания на 41% по сравнению с водой.
Учитывая, что ОТЛ, являясь отходом производства, значительно дешевле других ПАВ, обладает хорошими смазочными свойствами и пенообразующей способностью, одновременно уменьшает набухание глин, что особенно важно для получения пен при бурении водочувствительных глинистых пород, он может найти широкое применение как ПАВ для получения ГЖС. 4.2.5. Стабильность эм Наиболее существенное влияние на эксплуатационные свойства ПЖ оказывает степень жесткости воды, из которой готовится эмульсия, в меньшей степени - жесткость вод, поступающих в скважину в процессе бурения. ЭПЖ приготавливались на основе 0777, ОТЛ, а также на композициях ОТЛ с добавками 077-10, Пенола, превацелла, ДТ, РЖ-8. Исследование проводилось по методике, изложенной в главе 2. В табл. 4.7 приведены данные предельных концентраций солей СаС12, NaCl, при которых не наступает расслоение или коагуляция эмульсионных растворов. Как видно из полученных результатов, ОТП более чувствителен к СаСЬ, NaCl, чем ОТЛ. Стоит отметить, что при взаимодействии с солями ОТП образует липкую вязкоупругую смесь, нерастворимую в воде. Это свойство 0777 может найти применение в геологоразведочном бурении при тампонировании скважин. При взаимодействии ОТЛ с солями происходит коагуляция или расслоение раствора, но не образуется липких частиц, подобных пеку. ОТЛ также выдерживает минерализацию по СаС12 20 мг-экв/л, NaCl до 1000 мг/кг. Защитное действие от влияния солей оказывают добавки неионогенных ПАВ типа ОП-10. В этом случае образующиеся кальциевые и магниевые соли не коагулируют, а остаются в растворе в виде микрочастиц во взвешенном состоянии в стабильной дисперсной фазе. Роль эмульгатора и стабилизатора эмульсий при этом выполняют неионогенные ПАВ, и эмульсии сохраняют свои положительные свойства. Так, эмульсии, приготовленные на основе концентратов ОТЛ и ОП-10, остаются стабильными при жесткости воды до СаСЬ - 900 мг-экв/л. Такой же эффект получен при концентратах ОТЛ с добавкой 14% превацелла. Уменьшение вдвое процентного содержания в концентрате превецелла веет к тому, что эмульсионный раствор выдерживает жесткость по СаС12 только до 86 мг-экв/л. Такой же предел СаСЬ выдерживает концентрат в составе 75% ОТЛ+ 25% Пе-нола. Концентраты ОТЛ с добавлением ДТ, РЖ-8 и НШ наиболее чувствительны к действию солей кальция. Эмульсии, приготовленные из этих концентратов, разрушаются при жесткости воды по СаСЬ - 5 мг-экв/л.
С целью повышения устойчивости ТП и ТЛ к жестким, минерализованным водам и солевой агрессии впервые проведена модификация талловых продуктов сульфатной варки древесины их нитрованием в лаборатории СибНИ-ИЦК Минлесбумпрома (г. Усть-Илимск) при непосредственном участии автора. Для получения нитрованных продуктов были использованы отходы лесопере-работки Усть-Илимского ЛПК - талловый пек и талловый лигнин. Из литературы известно [90], что нитрованием гидролизного лигнина азотной кислотой получен нитролигнин (НЛГ) - продукт устойчивый в минерализованной среде при повышенной температуре. При содержании солей кальция выше 0,1% и забойной температуре выше 110-130С реагент НЛГ не пригоден. 4.2.6. мщ овлн«ые.и О(д кты.. Нитрованные продукты получены путем обработки ТП и ТЛ азотной кислотой (12 %) при температуре 80С и последующей нейтрализацией NaOH до рН=7-7,3. При этом происходит окисление и нитрование структурных элементов лигнина и пека, в бензольные ядра вводится нитрогруппа. Кроме того, в результате нитрования в молекуле лигнина образуются карбоксильные группы. Нитрованный 777 и лигнин в воде нерастворимы, поэтому было проведено их омыление гидроокисью натрия. С нитрованными продуктами ОНТП и ОНТЛ получены эмульсионные, глинистые и полимер-глинистые растворы.
