автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование технологических свойств и области применения пены при бурении скважин

РГ 5 ОД

На правах рукописи

ЛОСКУТОВ Юрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНЫ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника

геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена во ВНИИ пожарной охраны и Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор КУДРЯШОВ Борис Борисович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор А.М.ЯКОВЛЕВ

- кандидат технических наук В.Г.ВАРТЫКЯН

Ведущее предприятие - Северо-Западное государственное геологическое управление "СЕВЗАП-ГЕОЛОГИЯ"

Я О

Защита состоится " " е^Сс&Л- 1996 г. в

часов на заседании Специализированного совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, зал № 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (ТУ). „ 9 Г „ ю &

Автореферат разослан " & У 1996 г.

Ученый секретарь Специализированное

доктор техн.наук, про^

И.П.ТИМОФЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технологические свойства пены, широко применяемой при флотации, при тушении пожаров, в процессе бурения и освоения скважин, тесно связаны с ее физико-химическими параметрами, которые предопределяют процессы ее генерации и ограничения по ряду показателей (экологических, экономических, реологических, структурно-механических и др.).

На практике принято относить к пенам многофазные дисперсные системы, в которых газосодержание при атмосферном давлении (степень аэрации -а) находится в пределах 60<а<300 . Физико-химические свойства этих дисперсных систем зависят как от соотношения жидкой и газообразной фаз, так и от вида концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ), используемых в качестве реагентов-пенообразователей, стабилизаторов и ингибиторов. ПАВ в буровой практике начали применять еще с 1930 г., когда академиком П.А.Рябиндером были установлены отдельные их свойства как понизителей твердости горных пород. В настоящее время пены нашли широкое применение при бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, особенно в северных районах, при бурении нефтяных скважин в Башкирии, на Северном Кавказе, в Предкарпатье и других регионах СНГ, а также за рубежом.

Большой вклад в разработку технологии бурения и освоения скважин внесли коллективы ВНИ-ИБТ, ВИТР, СПбГГИ, БашНИИнефть и другие научно-исследовательские и производственные организации России.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ и опыт практического применения пены как очистного агента при бурении скважин позволили выявить ряд

ее принципиальных преимуществ по сравнению с другими промывочными агентами, основное из которых состоит в существенном повышении технико-экономических показателей. Так, по многочисленным отечественным и зарубежным данным механическая скорость возрастает в среднем в 2-3 раза, проходка на долото - в 4-6 раз, исключаются непроизводительные потери промывочной жидкости при проходке зон поглощений, резко сокращаются расходы на водоснабжение и др.

Большой вклад в развитие теории, технологии и технических средств бурения с пеной внесли многие отечественные и зарубежные ученые, среди которых необходимо выделить А.В.Амияна, В.Г.Вартыкяна, Л.К.Горшкова, А.И.Кирсанова, В.Я.Климова, Б.Б.Кудряшова, Ю.С.Лопатина, Ю.М.Па-рийского, Н.И.Слюсарева, Н.В.Соловьева, А.М.Яковлева, Н.Маковея, Б.Митчелла, Р.Э.Уокера и др.

Однако существующая технология применения пены при бурении скважин не располагает пока надежными показателями функциональных технологических особенностей, определяющих рациональную область применения пены на базе основных разновидностей пенообразователей. Необходимость и своевременность проведения научно-исследовательских работ в данном направлении обуславливается объективными факторами, вызывающими увеличение стоимости буровых работ, в особенности при освоении топливно-энергетических ресурсов в неблагоприятных геологических и природно-географических условиях, а также требованиями улучшения условий труда и экологической безопасности.

Работа выполнялась в лабораториях ВНИИ пожарной охраны и кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова (ТУ) в 1987-96 гг. в соответствии с координационными тематическими планами, отраслевыми программами и

заданиями б.Мингео РСФСР, Роскомнедр и Госкомвуза РФ.

Цель работы - изучение влияния компонентного состава, конфигурации каналов течения на реологическое поведение пены, а также процессов кольматации капилляров, пор и микротрещин для совершенствования технологии бурения скважин.

Основные задачи исследований:

• обосновать методику экспериментов, разработать лабораторные стенды, и опытные установки;

• оценить правомерность принятого условного деления пены на ньютоновскую и неньютоновскую жидкости по показателю газосодержания;

• установить зависимость реологических показателей пены от температуры и уточнить влияние геометрии канала на реологическую модель течения;

• определить область допустимых значений раскрытия пор, микротрещин и перепада давлений в процессе кольматации (изоляции) зон поглощения пенами;

• исследовать влияние минерализации флюидов на пенообразующие свойства промышленных поверхностно-активных веществ и адсорбционные потери с учетом активности основных типов пород.

Методика исследования. Для выполнения поставленных задач применялись методы аналитического и экспериментального исследования на специально разработанных лабораторных стендах, обеспечивающих визуализацию и скоростную киносъемку процессов, запись осциллограмм.

Методика исследований разработана на основе теории подобия, размерностей и планирования эксперимента. Для обоснования рекомендаций выполнялись вариантные расчеты на ЭВМ.

Научная новизна заключается в экспериментальном доказательстве сохранения неньютоновских свойств пены во всей области ее существования по показателю газосодержания, установлении различных реологических моделей течения в круглых и кольцевых каналах и механизма кольматации пор и тонких трещин.

Достоверность научных положений и выводов обеспечена достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в стендовых условиях по разработанным автором методикам с использованием высокого класса точности контрольно-измерительной, регистрирующей и электронно-вычислительной техники. Оценка объема и надежности результатов экспериментальных исследований и полученных опытных данных производилась с достоверностью 0,90-0,95.

Практическая ценпость заключается в обобщении выявленных закономерностей реологического поведения пены с сохранением свойств неньютоновской жидкости во всей области ее существования по показателю газосодержания при различных реологических моделях течения в круглых и кольцевых каналах, что позволяет уточнить и достоверно обосновать методики расчета технологических параметров циркуляции пены в скважине.

1. Получены зависимости реологических

показателей пены в условиях изменения температуры, которые могут быть использованы для инженерных расчетов при конструировании и выборе оборудования и устройств при проектировании рациональных режимов бурения, а также в других областях, в частности, при разработке противопожарных мероприятий, при производстве строительных материалов.

2. Установленные факторы и особенности течения пены в порах и трещинах, обусловленные взаимодействием структурно-механических, реологических свойств пены и ..капиллярных явлений позволяют определять параметры, изоляционных экранов в осложненных интервалах бурения.

3. Разработана методика упрощенного расчета промывки скважины пеной и. основы технологии предупреждения поглощений, принятая к использованию в ВИТРе.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 2 и 3 международных симпозиумах "Бурение скважин в осложненных условиях" (Ленинград,1992; Санкт-Петербург, 1995),, обсуждались на НТС Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики и кафедре ТТБС СПбГГИ (ТУ) (1987-1995 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 1 монография и 4 печатных работы.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 135 страницах машинописного текста, имеет 20 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, формулируются цель и задачи исследований, определяется научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1 посвящена анализу современного состояния изученности технологических свойств пены, методологии реометрии, анализируются зависимости показателей функциональных параметров и обоснованность принятых допущений или граничных условий для физических выражений. Показано, что

несмотря на значимость уже выполненных исследований и большого практического опыта бурения скважин с промывкой пеной, до настоящего времени пена как дисперсная система многими авторами разделяется на ньютоновскую и неньютоновскую жидкости по показателю газосодержания, недостаточно обоснованы реологические модели течения в круглых и кольцевых каналах, а также капиллярах, что и определило цель и задачи исследования.

Общая цель исследования технологических свойств пены как очистного агента требует решения ряда конкретных задач:

1. Обоснование и разработка лабораторных установок, специальных стендов, средств контроля и методов статистической обработки результатов экспериментальных исследований.

2. Исследование закономерностей изменения структурно-механических и реологических свойств пены в области температурного поля от +8 до +90°С.

3. Исследование области возможного проявления свойств пены как ньютоновской жидкости при изменении газосодержания.

4. Анализ реологических моделей течения пены в различных каналах.

5. Изучение процессов кольматации пор и микротрещин пеной.

В главе 2 изложена методика исследований, которая базируется как на аналитических, так и на экспериментальных методах. Рассмотрены методические вопросы планирования и проведения исследований.

В главе 3 изложены результаты экспериментально-теоретических исследований, выполнен анализ и оценка установленных закономерностей.

В главе 4 обоснована методика расчета параметров и условий формирования изоляционных экранов пеной в поглощающих интервалах при бурении в различных природных условиях.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение 1.

Пена как дисперсная система независимо от химической природы сохраняет неньютоновские свойства во всей области ее существования. Широко применяемое в практических расчетах условное деление пены как жидкости на ньютоновскую при газосодержании до 0,54 (54%) и неньютоновскую при его повышении не отражает действительности и требует пересмотра.

Сложность исследования реологических свойств пены обусловлена тем, что она как дисперсная система находится в неустойчивом равновесии до полного разрушения. Определять реологические показатели и структурно-механические параметры пены с малой погрешностью практически невозможно. До настоящего времени нет фундаментальных исследований по изучению этих свойств.

Некоторые исследователи, в частности, А.В.Амиян. В.А.Амиян относят пены к псевдопластическим телам (с увеличением градиента скорости вязкость уменьшается), а другие (Д.Круг, Дж.Грей) - к вязкопластическим телам Шведова-Бингама (тело деформируется, пока касательное напряжение не превзойдет предельное напряжение сдвига).

Однако большинство исследователей допускают обоснование Б.Митчелла, что при объемном газосодержании до 54% пена является ньютоновской жидкостью, а неньютоновские свойства проявляются при значении этого показателя от 54% до 96%.

Для определения вязкости пены при газосодержании до 54% Б.Митчелл рекомендует с незначительным

изменением численных коэффициентов уравнения Эйнштейна (для определения вязкости суспензии твердых частиц)

¡л = цж( 1 + 3,6/3) ( 1 )

Для вязкости пены в интервале газосодержания 0,54<Р<0,96 по экспериментальной формуле

м = мж/( - э,М9; (2)

По Гатчеку в этом интервале газосодержание вязкость пены определяется по уравнению

м = мх/ (1.о- ; (з)

где /Л - вязкость пены, Цж - вязкость жидкой фазы, ¡5 -• объемное газосодержание.

Численные значения вязкости пены вычисленные по уравнениям (1)-(3) существенно ниже по сравнению с нашими опытными данными.

В пене как гомогенной двухфазной системе газосодержание существенно влияет на реологические свойства. Пена как неравновесная дисперсная система может находиться во множестве состояний, каждому из которых соответствует определенное строение ее структуры и однозначение касательного напряжения, обусловленное скоростью деформации.

Реологические параметры пены с относительно меньшими "погрешностями можно определять на ротационных , вискозиметрах, имеющих однородное поле напряжений в коаксиальном зазоре и обеспечивающих поддержание заданной степени равновесного состояния деформации.

Вискозиметр ВСН-3 предварительно тарировался измерением вязкости глицерина, смеси глицерина с водой методом сравнения вязкости этих же жидкостей, определенных с помощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-2.

Эффективная вязкость определялась по уравнению

= М/у >

(4)

где ф - угол закручивания нити; А - константа прибора. Для лабораторных исследований пена приготавливалась в мешалке на основе 0,1-1,0% водного раствора сульфонала НП-1.

Для оценки эффективной вязкости были приняты допущения:

1) реологические характеристики пены могут изменяться во времени только при изменении физических условий, но при восстановлении этих условий характеристики остаются адекватными;

2) пене одного и того же состава, кратности (газосодержания) и дисперсности соответствуют близкие (равные) значения структурно-механических параметров.

Установлено, что реологическое поведение пены не соответствует модели Ньютона в области газосодержания существенно ниже 54% (табл.1, рис.1 и 2). (Характерно, что при тарировке вискозиметра ВСН-3 смесью воды с глицерином, был явно выражен закон пропорциональности).

Во всей области газосодержания пена по реологическим параметрам может быть отнесена к телам Шведо-ва-Бингема - эффективная вязкость снижается с ростом скорости сдвига в диапазоне 200-600 с'^рисЛ). Эти закономерности качественно сохраняются и при изменении температуры пены в интервале 18^90°С, но количественно значения эффективной вязкости пены значительно уменьшаются. Прослеживается характерная особенность реологических свойств пены - с ростом газосодержания эффективная вязкость повышается (рис.2).

Были исследованы структурно-механические свойства пены, которые характерны только для неньютоновских жидкостей, обладающих свойствами твердого тела. Условная характеристика прочности структуры пены -статическое напряжение сдвига - измерялось на приборе СНС-2. Во всей области газосодержания пена явно обладает свойствами твердого тела. Предельное напряжение сдвига у пены также как и эффективная вязкость увеличивается с ростом газосодержания и достигает максимума

Таблица 1. Значение эффективности вязкости пены

на 1 % -ном водном расворе сульфонола НП-1

ОСНОВА ЛЕНЫ ГАЖО- ДЕРЖАН. /» КРАТКОСТЬ ЛЕНЫ ТЕМПЕРАТУРА "С лтфективмая вязкхтьй»ф, мПа с ПРИ СКОРОСТИ СДВИГА / . 'с'

200 300 400 600

Р1С1В0Р 4 2% ЖСМГММ 0,45 1.8 16 60.1 51,4 46,3 36,0

мстео» ♦ 2% 1МУ 0.5 2.0 1Б 68.4 62,1 50,0 46.4

РАСТВОР 0.6 2.5 16 83,0 71,1 56,0 50.0

РАСТВОР 0.66 3.0 16 92,4 73.8 60.1 52,0

РАСТВОР 0,8 5 16 103,5 82.6 72.0 56,5

РАСТВОР 0.91 11 16 108,9 86,2 73,8 55,6

РАСТВОР 0,94 18 16 140,9 101,7 96,7 72,6

РАСТВОР 0,96 25 16 149,9 114,8 97.3 72,6

РЮ80Р •» 2% ММОтя» 0.91 12 16 150,6 126,4 110,3 98,6

МСГВО» *%% ИЧ10ИИИ 0.91 12 16 171.2 149,4 129,3 105.2

ИСТИР . 10% 18 Ч1С1 шимд 0,91 12 16 191,2 160.5 143,1 108,3

«10?. ЫШОнчи 0.91 12 16 198,0 172.5 145.0 123.0

РАСТВОР 0.94 17 18 162,2 122,6 97,4 79,3

РАСТВОР 0.94 17 24 148,6 112.3 93,2 74.1

РАСТВОР 0.94 17 30 130,4 102.5 90,4 74,1

РАСТВОР 0,94 17 60 95,3 75.4 61,3 46,1

РАСТВОР 0.94 17 80 70.4 т 51,7 39,3

мПа-с

125

100 75 50 25

200

300

«о

500

^.С

Рис.1 График реологической характеристики пены Газосодержание р:

1-0,45 3-0,6 5-0,8 7-0,94

2-0,5 4-0,66 6-0,91 8-0,96

МПа-с

251

1_ ■ ___,_._,_

о о.4 а: о.б о.7 ав о.э /5

Рис.2. Зависимость эффективной вязкости пены от газосодержаиия Скорость сдвига у, с"1: 1-200 2-300 3-400 4-600

при значении Р — 0,75-^0,85, а при дальнейшем повышении газосодержания снижается.

Таким образом, экспериментально установлено, что пена во всей области существования по показателю газосодержания обладает свойствами только неньютоновской жидкости.

Положение 2.

Реологическая модель течения пены зависит от геометрии канала. В круглых каналах течение пены в большей степени соответствует модели Шведова-Бингема, в кольцевых каналах при значении отношения разности диаметров к внутреннему диаметру меньше единицы [(Он - д.,) I й, < 1 ] - модели Ост-вальда-де Ваале.

Исследования реологических моделей течения пены проводилось на специально разработанном экспериментальном стенде, имитирующем модель вертикальной скважины с прозрачной трубой длиной 5 м и внутренним диаметром 56 мм с секцией стабилизации и возможностью изменять круглый канал на кольцевое сечение от 1 до 10 мм с шагом 2 мм и дополнительным участком горизонтально расположенных труб различной длины и диаметра:

1) Ь-5м, с1-15мм; 2) Ь-10м, с!-32мм; 3) Ь-40м, с1-32 мм.

Для определения потерь напора от скорости потока в каждой серии опытов пену пропускали при постоянном расходе и газосодержании. Для получения потоков с равной скоростью в различных каналах часть пены до входа в трубопроводы отводилась через боковой штуцер.

Участки с прозрачными трубами на входе и выходе (в местах замера) обеспечивали визуализацию структуры течения и перепады давления замерялись только при гомогенном потоке. Температура пены была 18-19°С.

При течении в трубах между касательными напряжениями т и перепадом давления Ар имеется зависимость

х = В,Др / 2Ь

(5)

где И - радиус трубы или размер кольцевого канала, Ь длина трубы.

Реологическое уравнение имеет зависимость

т = т(у) (6)

По измеренным Ар при заданных значениях расхода пены (3 определялись динамическое напряжение сдвигу т и пластическая вязкость Г) для реологической модели, имеющую линейную зависимость

= + ЛУ ( 7 )

По этим же данным определялись параметры индекс консистенции - к и показатель поведения г| для реологической модели степенной зависимости

Т = (8)

Обработка экспериментальных данных проводилась по методике: Е.Г.Леонов, В.И.Исаев "Гидроаэромеханика в бурении" (М.: Недра, 1987, с.292- 296). Расчеты показали, что среднеквадратичное отклонение линейной реологической модели в трубах меньше, чем для степенной и соответствует зависимости Шведова -Бингема (рис.3).

В кольцевых каналах при условии (Бн - с!в ) / с1в < 1 течение пены в большей степени соответствует степенной зависимости реологической модели Оствальда-де Ваале (рис.4).

На основании экспериментальных данных можно сделать заключение, что в круглых каналах структурное ядро течения пены при ламинарном (гомогенном) режиме сохраняется в центре потока.

В кольцевых каналах структурное ядро перемещается от одной стенки канала к другой, может иметь разрывы по окружности.

Л с-ЧО2

0.000

1.000 2.000

3.000

4.000 5.000 АР

Рис.3. Реологическая модель течения пены

в круглом канале

Г, с '102

10.000 8.333 6.667 5.000 3.333 1.667 0.00П

0.000

Рис.4.

1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

Реологическая модель течения пены в кольцевом канале

Положение 3

Закупоривающие свойства пены оцениваются суммарными значениями влияющих факторов: деформацией пузырьков при входе в поры: сопротивлений движению этих пузырьков по порам и микротрещинам, вызванных капиллярными давлениями, возрастающей вязкостью и предельным напряжением сдвига.

Закупоривающие свойства пены исследовались на крупномасштабной модели прискважинной зоны и на элементах пористого пласта с различной проницаемостью в цилиндрической трубе. Стенд обеспечивал подачу в пористую среду раздельно как воздуха, так и воды, а также газожидкостной смеси без ПАВ и пены с газосодержанием 0,5< <0, 9 на основе 1 % водного раствора сульфанола НП-1.

Результаты экспериментов при фильтрации в модельном элементе пористого пласта приведены на рис. 5.

Рис. 5. Кинематика давления при течении ;

очистных агентов на модельном элементе пористого пласта 1, 2, 3, 4 - соответственно воздух, вода, аэрированная вода, пена до блокировки пеной; 5, 6, 7 - соответственно пена, вода и воздух после предварительной подачи пены <

Перепады давления при течении пены по сравнению с воздухом, водой и даже водовоздушной смесью при одинаковой подаче возрастает в 5-6 раз, что свидетельствует о блокировании капилляров и трещин. Аналогичные графики получаются при радиальном течении на модели при-скважинной зоны. Кривые 5, 6 и 7 характеризуют изменение давления при течении соответственно пены, воды и воздуха в пористой среде, через которую предварительно прокачивалась пена. Полученные кривые отражают процесс разрушения (деструкции) и вытеснения пены из пор и характеризуются быстрым ростом давления с последующим сравнительно длительным периодом его стабилизации, затем, плавным падением. Это подчеркивает обратимость процесса закупорки пор пеной. После выдержки пористой среды (24-30 час), предварительно заполненной пеной, в емкости с водой процесс декольматации аналогичен, как и в "сухой" среде. Очевидно, пена, вытеснив воду из пор в статическом состоянии под действием капиллярных явлений, сохраняет высокую стабильность и разрушается лишь при достаточно высоком давлении потока воды или воздуха.

Сопротивления при течении пены в порах связаны с реологией и капиллярными явлениями. Особенностью закупоривающих свойств пены является их зависимость от эквивалентного диаметра фильтрационного канала, с ростом которого в пределах 1-3 мм эффективная вязкость пены увеличивается, что способствует повышению сопротивлений. В статических условиях силы сопротивления обусловлены капиллярными явлениями и выражаются в деформации пузырьков (эффект Жамена) и изменении внутреннего давления. При течении пузырьков газа по капиллярным каналам и порам горной породы под действием перепада давления вследствие деформации пузырьков возникают дополнительные сопротивления, пропорциональные изменению радиусов их кривизны: со стороны градиента давления радиус кривизны гг, становится больше радиуса пор г1 в породе (рис. 6а). В соответствии с законом Лапласа с той стороны, где радиус кривизны пузырьков меньше, капиллярное давление будет больше.

а

¿-////"///////У//, А

ё

?

777777Ш77777777777Ш7777777Т

Рис. 6. Схема сил сопротивления при течении пены в капиллярах

а - деформация пузырьков; б - изменение внутреннего давления в пузырьке.

Разность капиллярных давлений можно рассчитать по формуле

где ф - краевой угол смачивания.

При перемещении пузырька воздуха, находящегося в капилляре (рис. 66) под действием приложенного давления будет изменяться его форма: одна сторона станет прогибаться, а другая - выпрямляться (со стороны градиента давления). С появлением кривизны поверхности радиусом г возникает дополнительное внутреннее давление

Капиллярное давление в пузырьках обуславливает реальную силу сопротивлений и проявляется при течении пены по порам и трещинам, размер которых меньше или равен диаметрам пузырьков в пене.

При движении пены действие капиллярных явлений (эффект Жамена и внутреннего давления в пузырьке) характеризуется разностью максимальных значений давления на кривых 4 и 3 (рис. 5).

В статических условиях пены обладают свойствами твердых тел. Как большинство дисперсий, пены обладают тиксотропией в статических условиях - в начальный период нахождения в покое прочность на сдвиг увеличивается за первые секунды на 50-80 %. Однако в дальнейшем, за

Ар = 2ст- сов ф ( 1/г, + 1/гг) (9)

Др = сёБ/йУ = 2ст/г

( Ю)

счет разрушения пены (потеря устойчивости во времени), прочность на сдвиг также уменьшается. Тем не менее предельное статическое напряжение сдвига пены является основным фактором закупорки пор и трещин в статических условиях. Перепад давления, необходимый для вытеснения пены из пор (разрыв структуры в пределах времени устойчивого состояния) оценивается разностью между максимальными значениями давления на кривых 5 и 4 (рис. 5), можно рассчитать по формуле

Др = 20Ь/г ( 11 )

где Ь - глубина проникновения пены в пористый пласт или капилляр.

Перепад давлений при движении пены в пористых телах приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчетные значения давления при движении пены в порах

Характеристика условии Капиллярные явления Разрыв структуры СНС, Па Результирующее давление, Па

Деформация пузырьков, Па Давление на перемещение деформируемого пузырька, Па

1. £ = 0,1 м г - г, = 1 мм гг - 2 мм 0 = 1 Па 2,5 • 103 5 ■ 103 2 • 102 7,7 • 103

2. Ь = 0,1 м г = г, = 1 мкм гг = 2 мкм Э = 1 Па 2,5 • 10е 5 ' 10е 2 • 105 7,7 • 10е

В поставленной задаче необходимо было исследовать влияние минерализации на пенообразующие свойства основных промышленных ПАВ и абсорбционные потери на шламе горных пород. Пенообразующая способность растворов ПАВ определялась по методике

ВНИИПКнефтехим. Абсорбция ПАВ из растворов на поверхности шлама горных пород - по разработанной методике на основе рекомендаций В.К.Тихомирова (изменения поверхностного натяжения в растворе после перетока через объем шлама).

Установлено, что в качестве пенообразователей наиболее эффективны анионактивные ПАВ.

Сульфонол во всем интервале концентрации дал близкие значения пенообразующей способности и стабильности.

У сульфонатной пасты с ростом концентрации наблюдается некоторое повышение пенообразующей способности при снижении стабильности. С вводом в раствор хлористого натрия до 10 % по массе свойства резко изменяются. В 0,1 % растворе сульфонола наблюдается почти полное прекращение ценообразования, но с ростом концентрации от 0,5 % до 1 % пенообразующая способность по сравнению с дистиллированной водой снижается незначительно и, в то же время, возрастает относительная стабильность.

Пенообразующая способность неионогенного вещества ОП-Ю в растворах практически не меняется с добавкой электролитов, что характерно для ПАВ такого типа.

При исследовании адсорбции ПАВ из растворов на поверхности горных пород использовались образцы шлама (базальт, габбро-дол ерит, каменный уголь, аргиллит, ангидрит), существенно отличающиеся по минералогическому составу и плотности.

Дисперсность шлама определялась сидементацион-ным методом. Для расчета удельной поверхности частиц (Буд) эквивалентный радиус составлял 5 мкм.

В таблице 3 приведены опытные значения адсорбции при 1 % концентрации ПАВ по активному веществу. Анализируя расчетные значения предельной адсорбции с опытными данными, можно сделать вывод, что при 1 % концентрации ПАВ адсорбционные слои насыщены. На твердой поверхности образуются полислойные пленки (опытные значения превышают расчетные).

Порядок полученных величин свидетельствует о том, что адсорбционные потери ПАВ при бурении малы, что позволяет использовать многократно растворы пенообразователей.

Таблица 3. Адсорбция П А В н а шламе

Тип см2/г103 Адсорбция, 10"® г/см

породы ДСН-А Сульфо-нол Сульфонат-ная паста Синтонал

Базальт 2,18 1,05 0,41 1,18 0,83

Габбро долерит 0,86 2,02 0,23 2,44 11,16

Аргиллит 1,01 3,03 0,74 1,13 2,38

Каменный уголь 0,96 4,06 0,73 0,88 1,88

Ангидрит 2,07 0,84 0,24 0,87 2,9

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

X. На основе обобщения и анализа полученных в процессе исследования данных показана неправомочность принятого в буровой гидравлике условного деления пены как дисперсной системы на ньютоновскую и неньютоновскую жидкости по показателю газосодержания.

2. Выявленные различия в реологических моделях течения пены в круглых и кольцевых каналах циркуляционной системы позволяют с большей достоверностью определять режимные параметры промывки скважины пеной.

3. Эффективность пены как промывочного агента при бурении зон поглощений, обусловлена низкой плотностью и высокими упруго-вязкопластическими свойствами, что обеспечивает при течении в трубах и кольцевых каналах снижение давления в скважине, а в порах и трещинах резкий рост гидравлических сопротивлений, вызванных особенностью взаимодействия структурно- механических свойств пены и капиллярных явлений.

4. Установленные закономерности процесса кольмата ции позволяют определять параметры формирования изоляционных экранов пеной в осложненных интервалах бурения.

5. Выполненный физико-химический анализ адсорбционных потерь пенообразователей при бурении в

различных породах и установленное влияние минерализации и состава солей на технологические свойства пены, можно рекомендовать для обоснования ограничений применения различных пенообразователей в конкретных условиях бурения.

6. Результаты исследований внедрены при разработке технологических рекомендаций по бурению геологоразведочных скважин с промывкой пеной.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Технология и техника бурения скважин с пеной -С.-Пб, Недра, 1996, 180 с. (Соавторы Слюсарев Н.И., Козловский А.Е.).

2. Зависимость реологических свойств и устойчивости пены от температуры и концентрации твердой фазы - В кн.: Совершенствование методов разведочного бурения. Зап. ЛГИ, 1987, т. 116, с. 54-58. (Соавторы: Слюсарев Н.И., Стреленя J1.C., Меджитов О.В.).

3. Характерные особенности течения пены. В сб.: Записки СПбГГИ, 1996, т. II, с. 41-47. (Соавторы: Слюсарев Н.И., Стреленя JI.C.).

4. Исследование технологических свойств пенообразователей и их композиций. В сб.: Труды 3 международного симпозиума "Бурение скважин в осложненных условиях". Изд. СПбГГИ, 1996, т. 2, с. 21-24.

5. К методике выбора пенореагентов для бурения с пеной. В сб.: Труды 3 международного симпозиума "Бурение скважин в осложненных условиях". Изд. СПбГГИ, 1996, т. 2, с. 28-32. (Соавтор Мураев Ю.Д.).