Содержание к диссертации
Введение
1. Способы оценки, актуальные задачи и пути повышения качества технологических жидкостей в бурении скважин
1.1. Принципы оценки качества технологических жидкостей 10
1.2. Сопоставительный анализ применения различных технологических жидкостей при бурении скважин на шельфе Северного моря
1.2.1. Условия и сравнительные результаты применения технологических жидкостей на углеводородной основе 15
1.2.2. Система критериев качества технологических жидкостей на углеводородной основе, способы их определения, критические значения и рецептурные решения 17
1.3. Анализ технологических жидкостей на углеводородной основе, применяемых ОАО «Сахалинморнефтегаз» при бурении скважин
1.3.1. Условия применения и требования технологическим жидкостям 29
1.3.2. Применяемые гидрофобно-эмульсионные растворы, показатели их качества и направления совершенствования 31
1.4. Теоретические предпосылки выбора молекулярной структуры ПАВ и состава реагентов комплексного действия для целенаправленного воздействия на свойства гидрофобно-эмульсионных растворов
1.4.1. Механизмы межмолекулярных взаимодействий и их характеристика 35
1.4.2. Взаимосвязь химического строения ПАВ и технологических свойств гидрофобно-эмульсионных растворов 42
1.4.3. Принципы подбора компонентного состава реагентов комплексного действия 55
Выводы по главе 1 60
2. Методики экспериментальных исследований
2.1. Методики экспериментального изучения и математического моделирования свойств и комплексной оценки качества гидрофобно-эмульсионных растворов
2.1.1. Обоснование и сущность комплексной методики оценки качества эмульсий (КМКЭ) 61
2.1.2. Методика оценки агрегативной устойчивости гидрофобно-эмульсионных растворов 69
2.1.3. Методика определения высокотемпературной фильтратоотдачи гидрофобно- эмульсионных растворов
(МВТФ) 74
2.1.4. Методика определения эффективной вязкости гидрофобно-эмульсионных растворов 79
2.1.5. Методика математического моделирования свойств и оптимизации компонентных составов технологических жидкостей
2.1.5.1. Сущность и обоснование методики 84
2.1.5.2. Планирование эксперимента 87
2.1.5.3. Построение моделей и оценка их адекватности 89
2.1.5.4. Многокритериальная оптимизация 94
Выводы по главе 2 104
3. Разработка комплексных реагентов для получения и управления свойствами гидрофобно-эмульсионных растворов
3.1. Экспериментальное изучение молекулярного модифицирования и эффектов взаимного действия ПАВ на свойства гидрофобно- эмульсионных растворов
3.1.1. Обоснование выбора объектов и задач исследований 105
3.1.2. Сравнительный анализ существующих ПАВ на основе СЖК и продуктов их взаимодействия 107
3.1.3. Изучение влияния работы адсорбции и гидрофильно- липофильного баланса ПАВ на термостойкость и фильтратоотдачу гидрофобно-эмульсионных растворов 120
3.1.4. Изучение влияния состава и температуры гидрофобно-эмульсионных растворов на их эффективную вязкость и фильтратоотдачу 130
3.1.5. Изучение влияния глиносодержания, количества и вида ПАВ на термостойкость гидрофобно-эмульсионных растворов 153
3.1.6. Обобщение результатов исследований 158
3.2. Разработка реагентов комплексного действия
3.2.1. Разработка реагента комплексного действия на основе сочетания сложных триэтаноламиновых эфиров КСЖК с их солями 160
3.2.2. Разработка реагента комплексного действия основе дизамещенных эфиров триэтаноламина и КСЖК, оксипропилированных глицеридов КСЖК и их солей 190
Выводы по главе 3 198
4. Разработка рецептур гидрофобно-эмульсионных растворов для бурения скважин
4.1. Особенности разработки рецептур гидрофобно-эмульсионных растворов для бурения скважин 199
4.2. Разработка рецептуры гидрофобно-эмульсионных растворов для бурения горизонтальных высокотемпературных скважин на месторождениях шельфа
Сахалина 201
4.3. Опытно-промышленные испытания реагента комплексного действия СЭТ-1 в качестве термостойкого эмульгатора-стабилизатора жидкости глушения на основе гидрофобно-эмульсионного раствора
4.3.1. Цели испытаний 217
4.3.2. Технология приготовления гидрофобно-эмульсионного раствора и оценка технологичности реагента комплексного действия 218
4.3.3. Свойства и результаты применения гидрофобно-эмульсионного раствора 219
Выводы по главе 4 222
Основные выводы и рекомендации 224
Библиография 226
Приложения 235
- Принципы оценки качества технологических жидкостей
- Условия и сравнительные результаты применения технологических жидкостей на углеводородной основе
- Методики экспериментального изучения и математического моделирования свойств и комплексной оценки качества гидрофобно-эмульсионных растворов
- Экспериментальное изучение молекулярного модифицирования и эффектов взаимного действия ПАВ на свойства гидрофобно- эмульсионных растворов
Введение к работе
В условиях истощения разрабатываемых залежей нефти и газа начинают активно разбуриваться новые месторождения, которые не эксплуатировались ранее по причине сложных горно-геологических, технологических, климатических или экологических условий, такие как месторождения шельфа Сахалина и Северных морей. В настоящее время данные месторождения разрабатываются системой горизонтальных скважин, имеющих протяженность горизонтальных участков свыше 1500 м., что требует обеспечения устойчивости ствола, выноса шлама, устранения затяжек и прихватов бурильных колонн. Главная роль при этом принадлежит буровым промывочным растворам (БПР), которые для успешной проводки скважин в указанных условиях должны обладать высокими ингибирующими, смазочными и несущими свойствами. Кроме того, поскольку основная нефтеносность этих месторождений приурочена к коллекторам, имеющим дизъюнктивные нарушения в виде системы трещин, то особое значения приобретает способность технологических жидкостей, используемых при первичном и вторичном вскрытии продуктивных пластов к сохранению проницаемости призабойной зоны пласта.
Традиционно используемые БПР на водной основе мало пригодны для бурения и вскрытия продуктивных пластов в указанных условиях. Обеспечить необходимое качество бурения и вскрытия способны гидрофобно-эмульсионные растворы (ГЭР), которые позволяют практически полностью сохранить проницаемость ПЗП, исключить затяжки и прихваты колонн, обеспечить устойчивость стенок скважины и вынос шлама. Однако, применение ГЭР сопряжено с необходимостью решения специфических проблем этого типа дисперсных систем, а именно, обеспечения стабильности их свойств во времени и при воздействии агрессивных факторов в скважине, которыми являются: 1) потеря части дисперсионной среды при фильтратоотдаче на границе скважина-пласт; 2) загрязнение пластовой водой и гидрофильной твердой фазой; 3) высокие и низкие температуры. Все указанные факторы в различной мере способны вызывать потерю агрегативной устойчивости ГЭР и его функциональных способностей, что влечет за собой серьезные аварии на скважине.
Практически повышение устойчивости ГЭР к действию агрессивных факторов в скважине достигается введением большого числа реагентов специального действия (эмульгаторов, стабилизаторов, гидрофобизаторов, загустителей, понизителей фильтрации), что усложняет рецептуру. Данный способ требует значительных затрат на опытную проработку, что усложняет разработку рецептур, поэтому целесообразно использовать реагенты комплексного действия (РКД), которые, во первых, согласованно улучшали бы все параметры качества ГЭР, а во вторых, позволяли бы создавать запас всех или некоторых параметров сверх минимально необходимых уровней для удовлетворения требуемым функциональным способностям. Применение РКД упрощает разработку рецептур за счет снижения числа компонентов, обеспечивает оптимальность принимаемых решений за счет сбалансированного изменения свойств ГЭР, а также повышает технологичность приготовления и управления его свойствами что в конечном итоге позволит повысить качество выполнения технологических операций. Поэтому актуальной является разработка новых реагентов комплексного действия, обладающих улучшенными свойствами и позволяющих заменить собой сразу несколько специальных реагентов.
В этой связи актуальной является задача разработки принципиальных теоретических и практических подходов целенаправленного изменения свойств ГЭР на основе изучения закономерностей взаимосвязи молекулярного агрегирования компонентов дисперсной системы и их химического строения.
Таким образом, можно поставить следующие цель и задачи работы.
Цель работы
Повышение качества гидрофобно-эмульсионных растворов для бурения горизонтальных скважин в условиях высоких температур и загрязнения гидрофильной фазой применением реагентов комплексного действия.
Задачи
Разработка методического обеспечения повышения качества ГЭР на основе доступных для оперативного контроля показателей его свойств.
Уточнение доминирующих механизмов и разработка средств эффективного повышения термостойкости и термостабильности ГЭР.
Разработка новых реагентов, комплексно улучшающих качество ГЭР.
Разработка рецептур ГЭР на основе комплексных реагентов для бурения горизонтальных скважин в условиях высоких температур и загрязнения гидрофильной фазой.
Научная новизна
Разработана комплексная методика оценки качества эмульсий и оптимизации их рецептур.
Реализован принцип повышения термостойкости и термостабильности инвертных эмульсий, основанный на стабилизации реагентами, предпочтительно образующими не менее трех межмолекулярных связей промежуточного типа, и одновременном повышении работы адсорбции и оптимизации гидрофильно-липофильного баланса этих реагентов.
Обосновано применение реагентов на основе дизамещенных эфиров триэтаноламина и высокомолекулярных жирных кислот в смеси с оксипропилированными глицеридами этих кислот и их солями для комплексного повышения качества ГЭР.
Основные защищаемые положения
Методика комплексной оценки качества эмульсий и оптимизации их рецептур.
Результаты внедрения разработанных РКД в бурение и капитальный ремонт скважин.
Обоснование применения дизамещенных триэтаноламиновых эфиров высокомолекулярных жирных кислот в смеси с оксипропилированными глицеридами этих кислот и их солями для комплексного повышения качества ГЭР.
Результаты оптимизации состава реагента на основе дизамещенных триэтаноламиновых эфиров высокомолекулярных жирных кислот, их солей и оксипропилированных глицеридов.
Результаты исследований свойств ГЭР на основе разработанного РКД СЭТ-1М и оптимизации его рецептуры.
Практическая ценность
На основе доступного сырья разработан реагент СЭТ-1М, позволяющий без использования дополнительных реагентов получать ГЭР с термостойкостью до 190С, глиноемкостью до 30%, фильтратоотдачей при 90С менее 4см3/30мин, эффективной вязкостью при 90С до 330 мПа*с.
Разработана рецептура ГЭР, превосходящая базовую рецептуру на основе СМАД и Эмультала по высокотемпературным параметрам глиноемкости, фильтратоотдачи и эффективной вязкости соответственно на 271, 47 и 50%, не содержащая органобентонита.
Рассчитаны оптимальные концентрации РКД СЭТ-1М, что позволяет сохранять качество ГЭР в процессе бурения и уменьшить расход реагента относительно базового состава в 2,5 раза.
4. Предложен способ промышленного получения термостойкого эмульгатора-стабилизатора СЭТ-1М, наработана опытно-промышленная партия этого реагента.
Внедрение
Эмульгатор-стабилизатор СЭТ-1М успешно прошел промысловые испытания в качестве эмульгатора-стабилизатора термостойких ГЭР, применяемых Управлением по интенсификации и ремонту скважин ООО "Уренгойгазпром" при глушении высокотемпературных газоконденсатных скважин, а также внедрен как эмульгатор-стабилизатор ГЭР, используемых ОАО "Сахалинморнефтегаз" в качестве буровых растворов для горизонтальных высокотемпературных скважин.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на II Международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (Уфа, 2000 г.). Российской конференции "Актуальные проблемы нефтехимии" (Москва, 2001г.), II Конференции молодых специалистов и творческой молодежи 000 "ЛУКОЙЛ-БУРЕНИЕ" (Самара, 2002 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи, тезисы четырех докладов, получено 2 патента и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, выданное РОСПАТЕНТом.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 241 листах машинописного текста, включая 37 таблиц, 65 рисунков, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 128 наименований и 3 приложений.
Принципы оценки качества технологических жидкостей
При бурении и капитальном ремонте скважин возникает множество задач, решаемых с участием технологических жидкостей (ТЖ). Выбор типов и свойств этих жидкостей обусловлен спецификой решаемых задач и условиями применения. При этом различные типы жидкостей в разной мере приспособлены для решения определенного типа задач в определенных горно-геологических и технологических условиях. Поэтому детальное сопоставление ТЖ необходимо проводить с учетом конкретных условий применения и вида решаемых задач.
Вместе с тем существует общий формальный сопоставительный базис -это система показателей качества ТЖ, представляющая собой ряд требований, обусловленных технологическими, экологическими и экономическими нормами. Большая часть этих требований является общими понятиями, не зависящими от конкретной технологической операции. С учетом рекомендаций [4-7, 9, 14-16, 37-41, 47, 87, 99-101] система общих требований к ТЖ может быть представлена в следующем виде: - выполнение общетехнологических функций: передачи энергии и информации, выноса шлама, очистки забоя, смазки и охлаждения забойного инструмента, создания противодавления; - ингибирование - подавление разупрочняющего действия ТЖ на породы, слагающие стенки скважины; - благоприятное воздействие на продуктивный пласт или минимальность взаимодействия с пластом; - высокие триботехнические свойства; технологичность приготовления и управления свойствами; - доступность и дешевизна составляющих компонентов; удовлетворительная коррозионная инактивность; - экологическая чистота; достаточная стабильность всех свойств во времени и диапазоне скважинных термобарических условий. Качественная ТЖ предполагает удовлетворение перечисленным требованиям, что определяется сопоставлением фактических показателей ее качества с необходимыми. При этом основной проблемой является сама система показателей качества, которой до настоящего времени не создано в универсальном виде, пригодном для надежной оценки и сопоставления ТЖ различных типов. Основополагающим моментом при разработке системы оценки качества ТЖ является использование конечных результатов ее применения согласно его цели, но чаще всего эти результаты либо не являются количественными понятиями, либо при возможности количественного измерения отсутствует способ оценить вклад в эту величину именно ТЖ. Даже в тех случаях, когда удается найти надежный количественный критерий оценки данного аспекта качества ТЖ, его использование не лишено условности, привносимой относительностью оценки, которая проистекает из невозможности обеспечения совершенного 100% качества - шлам никогда не может быть вынесен полностью, износ не может быть сведен к нулю, абсолютная температурная стабильность свойств не достижима, поэтому любая оценка выполняется на субъективный достигнутый уровень. В указанных условиях целесообразно качественно сопоставлять именно предельно возможные показатели качества, обращая также внимание на комплексность достижения этих значений. С этой точки зрения, представленная выше система показателей качества, может быть редуцирована к следующим требованиям: 1 благоприятное воздействие на продуктивный пласт; 2)ингибирование потери устойчивости стенок скважины; 3)доступность и дешевизна компонентов ТЖ. Возможность сокращения актуального числа требований происходит из совпадения предельных уровней удовлетворения прочим из них разными системами ТЖ. Этот вывод относится к сопоставлению ТЖ на водной (ВТЖ) и углеводородной (УТЖ) основах и следует из ряда работ, посвященных указанному вопросу [30, 32, 36, 39, 45, 47, 51, 52, 54, 56, 65, 99, 101, 107, 109, 127].
Другими словами, существующими средствами возможно получить одинаково высокие показатели триботехнических, экологических, антикоррозионных и технологических свойств как ТЖ на водной основе, так и - углеводородной. Существующие отличия предельных уровней касаются трех перечисленных требований, по которым более высоким качеством, по первым двум, обладают УТЖ, уступая при этом по третьему. Таким образом, областями рационального применения УТЖ являются те, где необходимая степень ингибирования стенок скважины, восстановления проницаемости и блокировки водопритока продуктивного коллектора, в принципе, не может быть достигнута более дешевыми ВТЖ, что однозначно решает проблему выбора в пользу первого варианта. Верным является также обратный принцип - если требования по пунктам ингибирования стенок скважины и сохранению чистоты коллектора не экстремально высокие, то предпочтительным вариантом являются ВТЖ, как более дешевые.
Условия и сравнительные результаты применения технологических жидкостей на углеводородной основе
Бурение скважин на шельфе Северного моря (побережье Англии и Норвегии) наилучшим образом подходит для цели сопоставительной оценки качества ТЖ различных типов, так как все упомянутые условия качества в данном случае являются актуальными, причем в связи со значительной себестоимостью эксплуатации морских буровых платформ основным фактором, определяющим выбор ТЖ, является минимизация времени бурения, что определяет важность достижения предельного ее качества. Иными словами, сравнительно с бурением скважин отечественными операторами на материке, когда используются изношенные буровые установки с низкой себестоимостью эксплуатации, что создает предпосылки для перераспределения приоритетности затрат в пользу увеличения времени бурения за счет допустимой экономии на расходных материалах, т.е. его качестве, в условиях морского бурения, любая экономия на расходных материалах, сказывающаяся на времени бурения, недопустима. Тем самым обоснование применения УТЖ для бурения в условиях Северного моря предполагает наиболее рациональный интенсивный путь технологического совершенствования, поэтому его результаты заслуживают большего внимания. Обобщение результатов бурения в Северном море дано в работе [127], где охарактеризованы преимущества и недостатки ингибированных ВТЖ и УТЖ на минеральной и синтетической основах.
Работа показывает, что опыт бурения в Северном море уникален в смысле количества типов используемых ТЖ. Разбуривание месторождений в
Северном море было начато в конце 70-х и первоначально базировалось на ингибированных калием системах ВТЖ (РНРА). При бурении горизонтальных стволов с применением РНРА возникали осложнения, приводящие к потерям времени бурения на проработку и дополнительную промывку скважин. Поэтому к середине 80-х бурение уже полностью перешло на УТЖ, основанные на минеральной нефти, что связано с решением их применением главной проблемы при бурении скважин на шельфе Северного моря - неустойчивости глинистых сланцев, ведущей к обвалам и осыпям, что при значительных зенитных углах создавало проблемы с очисткой ствола и прихватами. Применением ингибированных КС1 буровых растворов проблему удавалось решить только частично, в противоположность УТЖ, которые позволили полностью сохранить устойчивость скважины при прохождении плывунов и эвапоритов, а также существенно повысить механическую скорость бурения (ROP) за счет более высокой смазывающей способности, которая, как отмечено в работе [39], позволяет избежать образования сальников на долоте при бурении мягких пород. В то же время, недостатком УТЖ на основе нефти (МУТЖ) является высокая токсичность отходов бурового производства, не допускающая их непосредственных сбросов в море, что заставило искать альтернативные заменители нефти.
В середине 80-х были испытаны первые образцы экологически чистых синтетических УТЖ (СУТЖ) на основе простых и сложных эфиров, которые показали свою техническую применимость, обеспечив аналогичные с МУТЖ показатели бурения. С тех пор количество СУТЖ возросло, и эти новые разработки, например, ацетальная СУТЖ, обладают еще более совершенными экологическими и технологическими свойствами.
После 1996г., когда ужесточились законодательные ограничения на сброс нефти в море, при бурении стали применяться большей частью СУТЖ, выбор которых обусловлен экономическими показателями, представленными на рис. 1.1. На рисунке видно, что стоимость метра проходки (COST/FOOT) при использовании СУТЖ, за исключением сложных эфиров, немного ниже МУТЖ, но значительно ниже РНРА даже при существенно меньшей стоимости барреля последней (COST/BBL). Причина этого в увеличении скорости проходки при использовании СУТЖ, что следует из рис. 1.2, на котором видно, что МУТЖ и СУТЖ на основе полиолефинов и сложных эфиров позволяют увеличить скорость бурения относительно РНРА в 2 раза, а СУТЖ на ацетальной основе - в 3 раза. Кроме того, как видно на рис. 1.3, СУТЖ позволяют снизить скин-эффект от загрязнения продуктивного пласта водным фильтратом РНРА от 2,5(полиолефин) до 5 раз (ацеталь), ненамного превосходя МУТЖ, которая превосходит РНРА в 4 раза - 5% против 20%. Таким образом, по совокупности факторов УТЖ являются наиболее перспективными системами буровых промывочных жидкостей для условий бурения на шельфе Северного моря.
Однако, нас интересуют не столько сами сравнительные показатели бурения, сколько возможности использования результатов этих исследований для повышения его качества в условиях других месторождений, для чего перейдем от общих понятий типов ТЖ к конкретным рецептурным решениям и закономерностям функционирования ТЖ, используемым при разработке рецептур на конкретные условия бурения. Для этого рассмотрим состав СУТЖ, представляющий собой ГЭР на основе ацетали и водного раствора хлористого натрия, состав которого представлен в табл. 1.1 (базовый состав) [127]. Для стабилизации ГЭР используются первичный и вторичный эмульгаторы Invermul, EZ Mul, а также загуститель Gelton. Необходимые кислотно-щелочные свойства регулируются добавкой извести, а плотность -баритом. При эвтектической плотности рассола хлористого кальция 1424 кг/м и водосодержании 25%, ГЭР имеет плотность 1,541 кг/м3.
Методики экспериментального изучения и математического моделирования свойств и комплексной оценки качества гидрофобно-эмульсионных растворов
Изучение существующих методик экспериментальных испытаний ГЭР показало множество пробелов как в системе экспериментальных критериев оценки качества ГЭР, так и в технических реализациях методик их получения. Прежде всего, это касается проблемы температурной устойчивости ГЭР, что выражено в отсутствии общепринятых критериев ее оценки, а также исключительной технической сложности и нестандартности методик ее экспериментального изучения. Известные методики [38, 52, 54, 55 ] базируются на определении электростабильности и фильтратоотдачи в забойных условиях. При этом используются различные автоклавы (УкрГипроНИИнефть), фильтр-прессы (ПФП-200), термоэлектропробойники (ТЭП-Д) или модификации установок УИПК. Основным достоинством этих приборов является широкий диапазон термобарических условий испытаний -до 220С по температуре и до 25 МПа по давлению, при следующих недостатках: - низкая технологичность пользования оборудованием, большая продолжительность опытов; - регистрация только параметров электростабильности, фильтратоотдачи или их совокупности; - использование чрезвычайно дорогого и нестандартизированного оборудования, когда измеряемые параметры зависят от используемого кернового материала и конструктивных особенностей приборов.
Все перечисленное исключает сопоставимость данных различных исследователей и возможность контроля исследуемых параметров на промыслах. По всей видимости, именно эти обстоятельства обуславливают малую изученность вопроса температурной устойчивости ГЭР.
По нашему мнению, существуют возможности более полной оценки качества ГЭР, состоящие в привлечении реологических критериев, снижении количества измеряемых параметров за счет косвенной оценки одних параметров другими, упрощении техники и технологии эксперимента за счет снижения верхней границы исследуемого диапазона температур для некоторых параметров, что в совокупности позволяет унифицировать используемое оборудование, и оперативно контролировать температурную устойчивость ГЭР непосредственно на скважине.
Прежде всего, рассмотрим применимость существующих методов оценки качества ГЭР, а также возможности модификации и сокращения количества контролируемых параметров.
Теоретическая проработка вопросов взаимного влияния молекулярного строения ПАВ и технологических свойств ГЭР (раздел 1.4.2) позволила выделить всего две самостоятельные группы свойств, в каждой из которых доминируют собственные механизмы и оценки межмолекулярных взаимодействий, и соответственно применяются отличные от остальных способы управления.
В первую группу вошли показатели агрегативной устойчивости - это электростабильность и термостойкость, в которой доминируют работа адсорбции, ГЛБ и межмолекулярная когезия, основанная на "медленных" связях.
Во вторую группу включены реологические, фильтрационные, структурно-механические свойства ГЭР, связанные с взаимодействием ПАВ между собой и со средой. В этой группе доминирующими факторами являются: межмолекулярная когезия, обусловленная связями обоих типов, химическая поляризация и энергия связи ПАВ со средой.
Рассмотрим показатели качества первой группы. Анализ применимости показателей термостойкости и электростабильности (U) показал, что качественно электростабильность является не количественной, а булевой бинарной величиной, и смысл имеет определение только одного критического значения электростабильности (UKp), которое является основой для определения термостойкости конкретного вида ГЭР. Количественной и качественной, а главное непрерывной характеристикой, позволяющей соотнести различные виды ГЭР, в том числе, путем применения численных методов оптимизации рецептур, является термостойкость (Тпред), которая равна температуре в С, соответствующей снижению электростабильности до критического значения, соответствующего началу потери агрегативной устойчивости. Момент потери агрегативной устойчивости устанавливается по неполному восстановлению U после термостатирования, охлаждения в статических условиях, перемешивания и выдержки. В предложенной формулировке термостойкость является предпочтительным критерием, так как в отличие от косвенной характеристики U, она непосредственно связана с функциональным качеством ГЭР - агрегативной устойчивостью и позволяет дать ей количественную оценку.
К первой группе параметров органически примыкает глиноемкость ГЭР, в стандартной формулировке равная количеству глинопорошка добавленного в исходный агрегативно-устойчивый ГЭР, которое соответствует потере его агрегативной устойчивости. Как видно, с точки зрения температурной устойчивости данный критерий неприменим для оценки гидрофобизирующей способности ГЭР, так как ни в коей мере не характеризует термостойкость гидрофобных покрытий. В случае удержания ПАВ на поверхности твердых частиц слабыми ионно-полярными силами, под воздействием температуры произойдет десорбция ПАВ, в корне нарушающая картину изменения электростабильности, что не учитывается глиноемкостью. Для преодоления данного несоответствия нами предложены иные критерии оценки глиноемкости.
Экспериментальное изучение молекулярного модифицирования и эффектов взаимного действия ПАВ на свойства гидрофобно- эмульсионных растворов
Объектами исследований в нашем случае являются отдельные ПАВ и их композиции (РКД) используемые для получения и управления свойствами ГЭР. Лимитирующим из перечисленных в первой главе факторов при выборе ПАВ является доступность и дешевизна компонентов, так как специфика отечественного бурения ограничивает величину затрат на химические реагенты уровнем стоимости отходов производства. Из дифильных веществ, обладающих приемлемыми товарными свойствами (класс опасности, испаряемость, температура вспышки, растворимость в органических растворителях, стабильность), более всего доступны и дешевы продукты на основе синтетических жирных кислот (СЖК), которые по этой причине широко применяются при бурении и КРС. Однако, как будет показано ниже, технологические свойства ГЭР на основе СЖК недостаточно высоки. В то же время, СЖК вместе с кубовыми остатками их производства (КСЖК) являются исходным сырьем различных синтезов, что определяет перспективность применения их конечных продуктов как составляющих РКД, используемых для повышения качества ГЭР. Среди множества возможных реакций, приводящих к получению этих продуктов, нас будут интересовать те, которые не требуют значительных затрат средств и материалов, а также дорогостоящего оборудования для своего осуществления в промышленном масштабе. Такими реакциями являются этерификация и омыление СЖК, а также образование их солей, которые требуют лишь нагрева исходной смеси компонентов и отгонки побочных продуктов реакций. Изучение возможностей молекулярного модифицирования ПАВ (раздел 1.4.2) позволило выделить ряд перспективных соединений, удовлетворяющих этому условию - это СЖК или КСЖК, их триэтаноламиновые эфиры, различные мыла и соли, а также оксиэтилированные и оксипропилированные соединения. Основными путями улучшения свойств этих соединений были выбраны: - обеспечение оптимального ГЛБ молекул ПАВ; - повышение работы адсорбции ПАВ на межфазной границе; - использование в составе РКД ПАВ, обладающих комплексной гидрофобизирующей способностью; - использование для стабилизации ГЭР ПАВ образующих более двух связей промежуточного типа на молекулу и целенаправленное сочетание межмолекулярных связей различных типов путем смешивания названных соединений в составе РКД; - использование возможностей химической поляризации за счет добавления в состав РКД ПС или ППС; - термоактивация образования АМК молекул ПАВ и среды при использовании в составе РКД соответствующих веществ.
Выше были теоретически обоснованы свойства этих соединений и изменения этих свойств под действием химической поляризации и молекулярного модифицирования, а также выделены доминирующие механизмы влияния на параметры ГЭР. Однако изменения технологических свойств ГЭР при этом были охарактеризованы только качественно, что оставляет открытым вопрос количественного состава РКД. Поэтому были поставлены следующие задачи экспериментального изучения:
1) определить базовые технологические характеристики ГЭР на основе названных веществ и оценить правильность исходных теоретических предпосылок путем сопоставления полученных характеристик;
2) выяснить влияние перечисленных способов модификации РКД на параметры ГЭР, дать оценку их эффективности и определить оптимальные составы РКД с точки зрения критериев качества ГЭР.
Ввиду технологичности изготовления, доступности и дещевизны ПАВ на основе продуктов взаимодействия СЖК широко применяются при бурении и КРС. В соответствии с названными перспективными классами химических соединений за базу сравнения были приняты следующие реагенты:
а) кубовый остаток производства СЖК (КСЖК) марки «Б», по ТУ 38.1071231-89, представляющий собой большей частью предельные жирные кислоты нормального строения фракций С22 и выше;
б) эмультал, выпускаемый Ивановским хим. комбинатом по ТУ 16-14 1035-70, представляющий собой преимущественно моноэфиры жирных кислот талового масла и триэтаноламина и применяемый в качестве эмульгатора;
в) СМАД-1М по ТУ 2458-01-50780546-01, представляющий собой смесь КСЖК (ТУ 38.1071231-89) с его триэтаноламиновыми солями;
г) кальциевое мыло КСЖК, получаемое из КСЖК непосредственно в процессе получения ГЭР за счет омыления его NaOH и ионного
обмена с СаС12, растворенным в дисперсной фазе.
Технологические характеристики ГЭР существенным образом зависят от концентрации ПАВ, причем оптимальная концентрация последнего, соответствующая предельному насыщению адсорбционных слоев на поверхностях раздела фаз и образованию мицелл в объеме дисперсионной среды, сугубо индивидуальна и зависит от размеров площадки адсорбции ПАВ, энтальпии образования связей и изменения конфигурационной энтропии при образовании мицелл. Поэтому необходимо производить не сопоставление технологических параметров ГЭР на основе различных ПАВ при одинаковой их концентрации а сравнение концентрационных зависимостей этих параметров.
