автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование устойчивости и разрушения пенных газожидкостных смесей при бурении гидрогеологических скважин

о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ Московская государственная геологоразведочная академия

На правах рукописи

РАМАРУСОН М.С.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ ПЕННЫХ ГАЗОВДЩОСТШХ СМЕСЕЙ ПРИ БУРЕНИИ ЩЦР0ГЕ0Л01ЖЕСКИХ СКВАШН

Специальность 05.15.14 - Техника и технология

геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1994 г.

Работа выполнена в Московской государственной геолого-

разведочной академии.

Научный руководитель

Научный консультант

Официальнае оппоненты

- кандидат технических наук, доцент Соловьев Н.В.

- кандидат технических наук, ст.н..сотр. Лопатин Ю.С.

- доктор технических наук, профессор Алексеев В.В.

- кандидат технических наук Карлов Р.Г.

Ведущее предприятие

ГШ "Центргеология"

Защита состоится " MapT-d I9g4 г> в " 44 » ^сов

в ауд„ Jé 415 на заседании специализированного совета Д.063.55.01 при Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: II7485, Москва, ул.Миклухо-Маклая, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТА.

Автореферат разослан" 44 соврала 1994 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор технических наук, профессор А.М.Лю.штозски:

■'

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Б "Основних направлениях экономического и социального развития РДМ на 1985-1990 годы на период до 2000 года", утвержденных парламентом, перед работниками геологической и водохозяйственной службы страны поставлена задача дальнейшего укрепления и расширения разведки питьевой и лромыпшен-ной воды, особенно на юге страны, где проблема с водоснабжением до сих пор не решена. Это объясняется сло:хностью горно-геологи— ческих условий, которые требузот повышения эффективности геологоразведочных работ и, прежде всего, ускоренного внедрения научно-технических достижений в практику буровых работ.

Рекомендации по технологии бурения геологоразведочных скважин, выбору способа бурения, типа оборудования п дородораз-рушающего инструмента и особешю по выбору типов и рецептур промывочного агента в осложненных условиях, разработаны еще недостаточно полно, что сдерживает освоение техники и технологии бурения геологоразведочных скважин в специфических условиях Мадагаскара. Основной проблемой в расширении области бурения гидрогеологических скважин является разработка специальных промывочных агентов для сложных геологических условий. К тому не во многих странах осложненные геологические условия являются пре-обладандими. Очистные агенты должны не только способствовать получения достоверной информации, но и обеспечивать устойчивость стенок скважин, предотвращать поглощение жидкости, сохранять свойства коллекторов. Это позволяет уменьшить маталлоемкость конструкций скважин, снизить непроизводительные затраты времени на освоение скважин, повысить производительность буровых работ в целом. Газожидкостные смеси (КС) находят все большее распространение при бурении в сложных гидрогеологических условиях. Однако применение ГЕС осложняется наличием в геологическом разрезе минерализованных вод. Наличие солей, обусловливающих минерализацию подземных вод затрудняет регулирование параметров ГЕС и повышает расход химических реагентов для их приготовления. Таким образом, исследования формирования и разрушения ГКС в условиях минерализации вод представляется актуальным и имеют важное практическое значение.

Цель работы.Целью диссертационной работы является исследование закономерности формирования и разрушения ШС в условиях солевой агрессии.

Основные задачи исследований. Для достижения доставленной цели были решены следующие задачи:

1. Провести теоретические исследования влияния состава ГКС на эффективность вскрытия водоносных горизонтов с низкими пластовыми давлениями.

2. Рассмотреть механизм взаимодействия молекул ПАВ-пенообразователей с диссоцированнкми ионами солей моно-поливалентных металлов, составляющих минерализацию шхастовых вод.

3. На основе закономерности физико-химических процессов взаимодействия молекул ПАВ с катионами пластовых вод разработать рекомендации по регулированию свойств ГКС при их формировании и разрушении.

4. Провести исследования влияния конструктивных параметров устройств для разрушения Г£С и разработать требования к ним для пеногашения в условиях минерализованных вод.

5. Провести модельные исследования технологических схем пеногашения в условиях солевой минерализации пластовых вод.

6. Уточнить методику расчета конструктивных параметров устройств для разрушения ГКС.

7. Разработать рекомендации для условий РЛМ.

Методика исследований. Разнообразный характер задач, решаемых в настоящей работе, потребовал применения комплексного метода исследований, сочетающего анализ и обобщение результатов предыдущих работ по изучаемому вопросу, выполнение теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных условиях и производственные испытания пеноразрушительного устройства. Обработка результатов исследований осуществлялась методами математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы заметается в том, что автором впервые:

- предложен механизм взаимодействия молекул ПАВ-пенообразователей, адсорбировз1шых на границе раздела газ-жидкость с диссоциированными ионами солей электролитов, составдягаих минерализацию пластовых вод;

- теоретически, установлено а экспериментально подтверждено влияние диссоциированных молекул электролита на пенообразукь-щую способность ПАВ-пенообразователя различного состава за счет формирования энергетического барьера, затрудняющего переход молекул ПАВ-пенообразователя из объема водного раствора на границу раздела двух фаз денных ГЖС;

- уточнены теоретические положения процесса изменения поляризации границы раздела двух фаз жидкость-газ и ее двойного электрического слоя в зависимости от вида пенообразователя и состава соли-электролита, пота поляризация мала, специфические силы адсорбции, удерживающие ионы или молекулы ПАВ на поверхности, превосходят силы электростатического притяжения молекул воды. При более высокой поляризации наступает десорбция органических ионов и молекул ПАВ;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние минерализации пластовых вод на эффективность формирования и разрушения ГйС, что позволило получить закономерности кинетики формирования 1! разрушения ГЖС в условиях поликатиоккой агресссш; подземных вод;

- обоснованы и рассчитаны параметры модельной установки для разрушения пенных П'.С при комбинации гидроциклона и аэродинамического пеноразрушитоля;

- получены закономерности процесса разрушения пенных Гл.С с использованием аэродшимического пеноразруаителя в условиях солевой агрессии пластовых вод.

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, а таюке полола;тельными резуль-

татами, полученными при испытании опытного образца пеноразруши-тельного устройства.

Практическая ценность. Б результате теоретических, экспериментальных и производственных исследований:

- получены рациональные составы ШС для условий солевой агрессии пластовых минерализованных вод;

- рассчитаны параметры и изготовлен опытный образец пено-разрунштеля с регулировочным узлом длины свободной струи потока ГКС;

- предложено и частично опробирована технологическая схема бурения с использованием ГЕС, в состав которой включаются гид-роцихяонный к аэродинамический пеноразруштель на базе установки КГК-100.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры "Разведочного бурения" МГГЛ (1991-1993 гг), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МГТА в 1991-1993 гг.

Публикации по теме диссертационной работы опубликована одна статья.

Объем и структура диссертации. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, 45 рисунков, таблиц, список использованной литературы из 56 наименований. Она состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, приложений.

Во введении обоснована актуальность и практическая ценность проведенных исследований, дана краткая характеристика выполненной работы и полученных результатов.

В первой главе проанализированы горно-геологические условие состояние техники и технологии бурения гидрогеологических скважин на Мадагаскаре, выведены основные виды осложнений и требования к промывочным агентам для повышения эффективности геологоразведочных работ.

Во второй главе проанализированы техника и технология бурения гидрогеологических скважин с использованием ГЕС и условия применения,на основе проведенного анализа обоснована целесообразность применения ГЖС в качестве очистного агента для бурения гидрогеологических скважин на Мадагаскаре. Поставлены задачи исследований.

В третьей главе проведено обобщение состояния и методик исследований, используемые методы планирования экспериментов и обработки полученных результатов.

Четвертая глава посвящена теоретическим исследованиям закономерности формирования и разрушения ГЖС в условиях солевой агрессии, в результате которых выявлена зависимость, позволяющая оценить изменение пенообразующей способности ПАВ и изменение структурно-механических свойств границ раздела фаз в зависимости от степени поляризации. Определены расчет, конструктивные параметры пеноразрушителышх устройств.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению формирования и разрушения ГНС с использованием системы пеноразрушителя в условиях солевой агрессии.

В шестой главе приведены результаты стендовых испытаний аэродинамического пеноразрушителя и даны рекомендации бурения гидрогеологических скважин комплексами КГК-100 с применением ГЬС.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Н.В.Соловьеву и научному консультанту, кандидату технических наук, старшему научному сотруднику В.С.Лопатину за руководство научными исследованиями и научно-методическую помощь при выполнении диссертационной работы.

В процессе работы над диссертацией и в период написания автор пользовался ценными советами и методической помощью сотрудников кафедры "Разведочного бурения" 1ЛГГА.

Содержание работы

Исследованию, разработке и рациональному применению ГЖС для бурения гидрогеологических скважин в условиях солевой агрессии посвящены многочисленные работы специалистов в области техники и технологии бурения: Д.Н.Башкатова, А.Б.Амияна, М.В.Казакова, В.К.Тихомирова, В.И.Коваленко, В.И.Васильева и др.

Анализ геологических условий, технологии бурения на Мадагаскаре показал, что для повышения эффективности буровых работ, необходимо разработать новый, более эффективный промывочный агент, который должен позволить безопасно проводить бурение скважин через глинистые толщи ж разновидные зернистые пески; иметь низкую плотность для предупреждения утечек в поглощающих горизонтах, обладать высокой выносной способностью при невысокой скорости восходящего потока, предотвращающей потери устойчивости стенок скважин и сохранять естественную проницаемость коллектора.

Опыт бурения в сложных гидрогеологических условиях с применением ГНС и в Советском Союзе и за рубежом показывает, что применение ГЕС позволяет не только безопасно проводить бурение, но и увеличивать производительность и эффективность бурения.

Однако наличие примесей солей электролитов в минерализованных водах затрудняет внедрение ГЕС для бурения гидрогеологических скважин, которые требуют исследования свойств ГЖС при контакте с солями электролитов с целью возможного регулирования их свойств и подобрать тип ПАВ и разработать рациональные рецептуры. Кроме того, несмотря на значительное число способов и устройств для рззрушения лен в различных отраслях промышленности, поиск новых эффективных методов и разработка устройств пеноразрушения является актуальной задачей для технологических производств, в том числе при бурении скважин. Это обусловило задачи исследований, сформулированных выше, решение которых позволило в конечном итоге повысить эффективность бурения в условиях минерализованных вод.

Основные защищаемые положения. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения.

I. Характер протекания процесса адсорбции на границе раздела зависит от электрокинетических явлений, протекающих в системе водного раствора ПАВ при наличии ионизированной среды соли-электролита, и определяет процесс формирования.

Изменение свойств ГЕС в условиях солевой агрессии базируется на изменении насыщенности адсорбционного слоя поверхностно-активных веществ (ПАВ) при добавлении водных растворов солей-электролитов, т.е. на изменении растворимости молекул ПАВ в их водных растворах.

Наиболее достоверным методом исследования влияния добавок солей на растворимость ПАВ-пенообразователей является графо-ана-литический метод изменения изотерм поверхностного натяжения ПАВ в присутствии различных концентраций электролита.

Рассмотрение влияния добавок солей-электролитов в растворе ПАВ позволяет оценить изменение концентрации, при которой наступает насыщение адсорбционного слоя молекулами ПАВ, при этом концентрация ПАВ, соответствующая насыщению адсорбционного слоя описывается уравнением:

Известно, что молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, если они в результате своего присутствия на поверхностном слое будут уравнивать полярности этих фаз, например явд-кости, газа. По этой причине при адсорбции ПАВ происходит их ориентация на границе раздела фаз: полярной частью молекулы обращены к более полярной фазе, а неполярной к менее полярной. Соприкосновение двух фаз, двойной электрический слой (ДЭС) возникает вследствие специфической адсорбции и электрического при-

(I)

где - предельная адсорбция

б - толщина поверхностного слоя ^ - работа переноса I г моля молекул ПАВ из объема

раствора на поверхности раздела ^ - число групп адсорбированных молекул.

тяжения. Специфическая адсорбция избирательно поглощает ионы только одного знака. Независимо от причин образования ДЭС под действием сил электростатического притяжения образуются по крайней мере два слоя ионов, один из которых расположен на поверхности, другой в растворе. По мере удаления от поверхности раздела, связь с ней ионов ели ориентированных молекул становится все слабее. На некотором расстоянии связь настолько слаба, что слой жидкости, лежащий правее слоя, может перемещаться, увлекая с собой заряды оставшейся части размытого двойного слоя или же наоборот, эта часть двойного слоя может перемешаться в электрическом поле, увлекая с собой молекуля жидкости.

Полученное уравнение описывает процесс адсорбции ПАВ на границе раздела в условиях нахождения электролита в ионизированном виде:

Г, адо.д^ехр (2)

где т - число ыетиленовых групп в углеводородной цепи молекул ПАВ

С - концентрация ПАВ, Сс - концентрация соли Т" - температура, б. - газовая постоянная.

Следовательно, в соответствии с уравнением (2), можно полагать, что характер протекания адсорбции на границе раздела будет определять пенообразующие свойства ПАВ. Поэтому необходимо рассматривать характер протекания процесса адсорбции на границе раздела в зависимости от электрокинетических явлений.

2. Необходимо регулировать величину параметров двойного электрического слоя чероз изменения поляризации, чтобы избежать десорбции молекул ПАВ с границы раздела жидкость-газ.

Известно, что каждая система стремится к минимуму потенциальной энергии. По мере укрупнения частичек, их поверхностная энергия уменьшается, т.к. уменьшается удельная поверхность. Поэтому жидкое тело в высокодисперсном состоянии должно стремить-

сл к укрупнению частичек, т.е. коагуляции. Этому препятствует адсорбция, особешго приводящая к появлению зарядов. Изменяя состав раствора, можно изменять величину я знак потенциал £ , а следовательно, устойчивость высокодисперсных систем. Если раствор подобран так, что £ = 0, то электрофорез невозможен. В таком незаряжешгом состоянии дисперсные частички легко коагулируют и выпадают из раствора £ =0, система находится в изоэлек-тр:гаеской точке. Итак, влияние величины заряда на адсорбцию легко объяснить, если воспользоваться выражениам для энергии конденсатора, которому можно уподобить двойной электричесшБ! слой:

£

где ^ - энергия конденсатора

^ - эффективная толщина ДЭС £ - диэлектрическая проницаемость £ - плотность заряда.

В этому случае поляризация, т.е. сдвиг потенциала в любую сторону от нулевого ззряда поверхности, приводит к образованию ионного двойного слоя. Чем больше поляризация, тем выше плотность заряда. Из выражения (3) следует, что при данной величине плотности заряда, энергия конденсатора уменьшается при зозроста-нии диэлектрической проницаемости срады. Стремление системы к уменьшению энергии вызывает втягивание молекул воды в ДЭС. Пока поляризация мала, специфические силы адсорбции, удерживающие ионы или молекулы ПАВ на поверхности, превосходят силы электростатического притяжения. Такая ПС обладает устойчивыми структурно-механическими свойствами. Зто состояние продолжается до насыщения рзствора пенообразователя электролитами.

При более высокой поляризации наступает десорбция органических ионов и молекул ПАВ, т.к. электростатическое притяжение превышает адсорбционные силы. Скорость движения ионов и молекул высокая, что приводит к неравновесному состоянию пленочного каркаса, и значит структурно-механические свойства ПС снижаются.

3. ЛАВ-пенообразователь комбинированный по составу является хорошим пенообразующим средством по сравнению с атюнзктивным ПАЕ.

Свойства газожидкостных смесей изменяются под давлением агрессии электролитов при бурении гидрогеологических скважин в условиях водопритоков минерализованных вод, где поверхностно-активные вещества, входящие в состав водных растворов пенообразователя, взаимодействуют с катионами поливалентных металлов, приводят к изменению пенообразующих свойств ПАВ-пенообразователей. ПАВ способно адсорбироваться на поверхностных разделах фаз, при этом понижается поверхностная энергия с повышением в жидкости их концентрации. Этот процесс продолжается до насыщения поверхностного слоя молекулами ПАВ. Проведенные анализы графо-аналитических методов изменения ценообразования позволяют установить, что присутствие солей электролитов в растворе влияет на пенообразующие способности ПАВ-пенообразователей в зависимости от их физико-химического состояния. В случае использования ашюнактивного ПАВ-суль~ фонола, присутствие солей-электролитов в их водном растворе способствует снижению величины предельной концентрации, т.к. попадание солей-электролитов на границу раздела фаз приводит к формированию энергетического барьера, затрудняющего переход молекул ПАВ-пенообразователя из объема водного раствора на границе раздела двух фаз. Это способствует ухудшению растворимости молекул ПАВ-пенообразователей и снижению их пенообразующей способности, поэтому для формирования Г£С в условиях солевой агрессии, анион-активные ПАВ не рекомендуется использовать в качестве ПАВ-пенообразователей. У комбинированных по составу ПАВ-пенообразователей присутствие солей-электролитов не влияет на их растворимость и на ва^ичину С,т, предельной концентрации ПАВ соответствующего насыщения адсорбционного слоя, а способствует увеличению пенообразующей способности комбинированного типа ПАВ по составу за счет улучшения структуры границы раздела двух фаз.

4. ГЕС из комбинированного типа ПАВ обладает устойчивыми структурно-механическими свойствами, чем ЕС из знионзктивного ПАВ.

ГдС, используемые как очистный агент при бурении, должны обладать минимум устойчивости для обеспечения различных функций

в процессе бурения. В условиях водопригоков минерализованных вод, с которыми при бурении будет контактировать 1ЖС, возможно она потеряет свою первоначальную устойчивость.

Проведмш лабораторные исследования разложения объема пены во времени, начиная с момента формирования. Это позволяет установить, что ВЕС из комбинированного по составу ПАВ обладает более стойким характером в условиях солей агрессии. Устойчивость ШС из комбинированного по составу ПАВ увеличивается по мере повышения их концентрации в растворе, при этом присутствие солей электролитов в границе раздела фаз приводит к формированию двойного ионного слоя вокруг частиц газообразных пузырьков ГЖС, что способствует повышению устойчивости пенного каркаса за счет улучшения структурно-механических свойств границы раздела. Однако при концентрации поверхностно-активных веществ более 0,8-Ii в их водных растворах наблюдалась стабилизация приращения устойчивости по мере роста концентрации пенообразователей в растворе.

Устойчивость КС из анионактивных ПАВ снижается при попадании солей-электролитов на границе раздела фаз, при этом сила притяжения превышает адсорбционные силы, которые приводят к десорбции молекулы ПАВ с границы раздела, следовательно, к потери устойчивости Г£С, поэтому для формирования ГЖС в условиях солевой агрессии анионактивных ПАВ не рекомендуется использовать в качестве пенообразователей.

5. Применение системы гидроциклокз и аэродинамического пено-разрушиталя с регулировочным узлом длины свободной струи обеспечивает эффективное разрушение ГЖС.

Исследованию разрушения ГНС посвящены многие работы, предложено значительное число способов и устройств для разрушения пены в различных отраслях промышленности, поиск новых эффективных методов и разработка устройств пеноразрушенпя является актуальной задачей для ряда технологических производств, в том числе и при бурении скважин.

Пены, выходящие из скважин, обладают высокой стабильностью, особенно при попадании солей-электролитов на их границе раздела, которые передают ГЕС стойкие структурно-механические свойства пенного каркаса.

Проведенные исследования лабораторных и стендовых испытаний пеноразрушительной устойчивости показывают, что гидроциклон обеспечивает эффективные разрушения по мере увеличения скорости входа пены в устройство, что способствует увеличению центробежной силы, необходимой для разделения фаз.

При применении аэродинамического пеноразрушителя, эффективность разрушения увеличивается при повышении расхода рабочего воздуха. Кроме того, до мера увеличения длины свободной струи, увеличивается зона разрежения, где под действием перепада давления и влияния разрежения, интенсифицируются разрушения Г2С, однако в условиях минерализованных вод, где ГКС обладает повышенной устойчивостью, применение аэродинамических пеноразрушителей и гидроциклона б отдельности не обеспечивает полного разрушения пены, необходимо принимать их комбинации.

Основные вывода и рекомендации

1. В результате проведенного теоретического исследования механизма взаимодействия молекул ПАВ-пенообразователей с диссоциированными ионами солей моно-поливалентных металлов, составляющих минерализацию пластовых вод, установлено, что при наличии солей в составе пенообразователя образуется двойной электрический слой, состоящий из ионов, определяющий потенциал,и противоионов, где происходит электрокинетическое явление, развиты тем сильнее, чем выше подвижность зарядов диффузного слоя и оказывает влияние на формирование и разрушение пенных ГЖС. Явление, которое можно регулировать за счет изменения степени поляризации двойного электрического слоя.

2. В результате экспериментального исследования пенообра-зующих способностей ПАВ-пенообразователя, пенообразующие свойства аниоактивных ПАВ снижаются по мере увеличения концентрации солей в их водных растворах, и целесообразно увеличивать концентрацию аниоактивных ПАВ в растворе для получения необходимой кратности пен.

0. Для комбинированных по составу ПАВ-пенообразователя наличие солей в их водных растворах способствует увеличению пено-обрззующей способности. Рациональная рецептура комбинитовашшх ПАВ предложена 0,8-1^.

4. Применение реагентов стабилизатора приводит к снижешш кратности пены, но увеличивает их стабильность, которая представляет трудности при разрушении, их концентрации необходимо поддерживать от 0,02 до 0,155.

5. Экспериментально обосновано и производственными испытаниями подтверждено, что аэродинамический пеноразрушитель эффективнее разрушает пенную ЕКС при длиной свободной струе в два раза диаметра отверстия сопла.

6. Экспериментально обосновано и производственными испытания!,m подтверждено, что для повышения эффективности разрушения пенных Н£С в условиях минерализованных вод, целесообразно принимать комбинации гидроциклона и аэродинамического пеноразруиште-ля.

Основные положении диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рамарусон М.С., Соловьев Н.Б. Регулирование свойств пенных Гд;С в условиях солевой агрессии. Лзвестия вузов. Геология

и разведка. & 3 M. MITA, 1993.