автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Теория и практика вскрытия водоносных пластов, представленных мелко-и среднезернистыми песками

Р Г Б ОА ^ о АПР 1995

На правах рукописи

ТРЕТЬЯК Александр Яковлевич -

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА. ВСКРЫТИЯ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ МЕЛКО- И СРЕДНЕЗЕРНИСТЫМИ ПЕСКАМИ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Новочеркасском государственной техническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.Г.Калинин доктор технических наук, профессор А.В.Панков доктор технических наук, профессор В.М.Беляков

Ведущее предприятие ГГП "Волгагеология"

Защита состоится 1995г. в ^^ часов в ауд.^--1 на

заседании специализированного йовега Д 063.55.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117873 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук,

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем современной технологии бурения скважин на воду является выбор и применение рационального способа вскрытия водоносных пластов. Для водоснабжения городов, промышленных предприятий, объектов сельского хозяйства и освоения месторождений полезных ископаемых ежегодно в России бурится свыше 30 тыс. скважин. Подавляющее большинство этих скважин (90%) сооружается вращательным способом, из них более 60% скважин вскрывают водоносные пласты в рыхлых отложениях, остальные в устойчивых породах.

В го же время' разработкам новых технических средств, технологии бурения, вскрытия и освоения гидрогеологических скважин уделяется недостаточное внимание. Это объясняется отсутствием специализированных по этому профилю конструкторских бюро, научно-исследовательских и проектных институтов, а также ведомственной раздробленностью организаций, осуществляющих бурение таких-скважин.

Большой вклад в развитие техники и технологии бурения скважин внесли Н.И.Куличихин, Б.И.Воздвиженский, Ф.А.Шамшев, СА.Волков, В.Г.Володченко, И.А.Уткнн, Н.И.Шацов, А.М.Мачурдумов, С.С.Сулашхин, Е.А.Козловский,

B.М.Питерский, А-Г.Калинин, Б.Б.Кудряшов, В.М.Ребрик, В.Г.Кардыш, А.Т.Киселев, А.М.Ясашин, Ю.М.Парийский, П.А.Ребиндер, Р.И.Шищенко, Б.И.Есьман, К.Ф.Жигач, А.Х.Мирзаджанзаде, А.К.Козодой, В.И.Липатов, Б.И.Мительман,

C.Н.Ятров, С.Ю.Жуховицкий, Н.С.Паус, Э.Г.Кистер, А.И.Булатов, В.И.Рябченко,

A.В.Марамзин, А.М.Яковлев, О.К.Онгелопуло, Н.А.Гукасов, Л.М.Ивачев, Н.А.Мариампольский, Я.А.Рязанов, М.И.Липкис, В.И.Крылов, Е.Г.Леонов,

B.С.Алексеев, В.М.Беляков, Д.Н.Башкатов, И.Ф.Володько, Э.М.Вольницкая, В.М.Гаврилко, А.И.Деревянных, С.Л.Драхлис, Е.Н.Дрягалин, В.М.Касаткин, А.М.Коломиец, Ю.А. Олоновский, М.Г.Оноприенко, А.В.Панков, А.Г.Тесля и др.

Из года в год усложняются условия бурения скважин, возрастают их глубины, буровые работы с целью водоснабжения распространяются на новые, сложные и малоизученные в гидрогеологическом отношении районы. Успешное бурение гидрогеологических скважин в этих условиях невозможно без создания и широкого внедрения в практику буровых работ новой техники и передовой технологии. В практике бурения гидрогеологических скважин наибольшую сложность представляет получение воды из водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками. Важнейший элемент технологии сооружения таких скважин - повышение качества вскрытия водоносных пластов.

Главной производственной задачей является снижение затрат на сооружение скважин при одновременном повышении их качества. Решение ее направлено на создание трудо-, материал о- и энергосберегающей технологии бурения скважин, т.е. эффективное решение актуальных проблем производства на уровне достижений отечественной и зарубежной науки и практики, разработка научных и технологических основ для реализации высокоэффективных разработок, обеспечивающих формирование высоких технико-экономических показателей бурения и качества геологоразведочных работ.

От правильного выбора технологии вскрытия водоносных пластов зависит не только производительность и срок эксплуатации скважин, но и возможность обнаружения и успешного изучения водоносных пластов.

Решение поставленных задач требует повышения эффективности и качества работ путей научного обоснования, разработки и внедрения комплекса современных технологий и технических средств сооружения гидрогеологических скважин.

Современная техника и технология сооружения скважин на воду в мелко- и среднезернистых песках не обеспечивает требуемого качества из-за кольматации продуктивных пластов и резкого снижения дебитов. Поэтому разработка рациональной технологии вскрытия воодоносных пластов, представленных рыхлыми отложениями, является одной из актуальнейших проблем в общем комплексе сооружения гидрогеологических скважин.

Несмотря на несомненные успехи в этом направлении достигнутые Востокбурводом, МГГА, Центргеологией, Волгагеологией, ВСЕГИНГЕО, ВОДГЕО, Промбурводом, Малбурводом и другими организациями, остается нерешенной проблема эффективного ^вскрытия пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, характеризующимися высокой степенью кольматации и значительным снижением дебитов скважин. Решению этой актуальной проблемы посвящены исследования, выполненные автором в рамках данной диссертации.

Цель исследований. Целью данной работы является решение важной проблемы по научному обоснованию, разработке и внедрению в производство оптимальной технологии вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками.

Основные эадэчи иседедоэаний;

• оценка современных методов вскрытия водоносных пластов при бурении и установление областей их рационального применения;

- исследование условий кольматации фильтров и разработка мероприятий по сохранению их естественной проницаемости путем использования специальных защитных паст;

- разработка основных положений теории омагничивания, объясняющих действие магнитных полей на малоглинистый полимерный раствор;

- разработка принципиально новой технологии вскрытия водоносных пластов омагниченной малоглинистой полимерной жидкостью, установление ее оптимальных рецептур и режимов обработки;

- экспериментальная проверка технологии вскрытия водоносных пластов омагниченной малоглинистой полимерной жидкостью при сооружении гидрогеологических скважин.

Постановка этих задач позволила комплексно решить вопросы повышения эффективности вскрытия водоносных пластов, представленных рыхлыми отложениями.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с применением комплекса методов, включающих: анализ и обобщение производственного опыта, использование выявленных закономерностей влияния природных и технических факторов, а также уровня организации проиэводстаа.на эффективность вскрытия водоносных пластов; научное обобщение и анализ теоретических, экспериментальных (лабораторных, стендовых, производственных) исследований в России и за рубежом, посвященных изучению данного вопроса; экспериментальные

работы в производственных и лабораторных условиях.

В работе использовались специально созданные стендовые установки для моделирования технологических процессов исследования.

Правомерность полученных результатов и закономерностей проверялась необходимым объемом внедрения в натурных производственных условиях.

Научная новизна и основные защищаемые положения. В диссертации осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы по вскрытию водоносных пластов, имеющей важное народнохозяйственное значение. В работе защищаются следующие основные положения теоретического и практического характера:

1. Разработан метод, предотвращающий кольматацию фильтра, основанный на использовании растворяющихся защитных паст специального состава, определены оптимальные соотношения ингредиентов состава паст, позволяющих регулировать время их распада.

2. Разработаны основные теоретические положения ионно-коллоидной теории омагннчивания, объясняющие действие магнитных полей на малоглинистый полимерный раствор.

3. На уровне изобретения разработана принципиально новая, эффективная технология вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, омагниченной малоглинистой полимерной промывочной жидкостью.

Личный вклад автора выражается в следующем:

- выполнены комплексные исследования по технологии вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками;

- разработаны, опробованы и внедрены в производство сооружения гидрогеологических скважин специальные самораспадающиеся пасты, предохраняющие поверхность фильтра от глинизации при его спуске в скважину;

- показана роль магнитного поля как основного фактора процесса структурообразования в суспензиях, содержащих глинистые частицы, КМЦ, гипан и воду;

• теоретические и экспериментальные исследования позволили выбрать оптимальную конструкцию аппарата для омагничивания малоглинистой полимерной промывочной жидкости, объяснить явления "памяти", ускоренной коагуляции частиц из раствора, увеличение вязкости и уменьшение водоотдачи раствора;

- исследован и внедрен в производство при вскрытии водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, омагниченный малоглинистый полимерный раствор, разработана принципиально новая, аффективная технология его применения.

Практическая ценность. В результате выполненных исследований разработаны и апробированы на производстве мероприятия, направленные на сохранение естественной проницаемости фильтров. Предложена защитная паста для конкретных геолого-гидрогеологических условий, позволяющая предотвратить г кольматацию фильтров при спуске их в скважины.

Разработана и внедрена в практику геологоразведочных работ принципиально новая, эффективная технология вскрытия водоносных пластов омагниченной малоглинистой полимерной промывочной жидкостью.

Применение на практике технологии защиты фильтров пастой позволяет добиваться увеличения удельных дебитов скважин в 1.5-2 раза при уменьшении времени разглинизации до 2-х раз, а применение разработанной технологии вскрытия водоносных пластов способствует увеличению удельных дебитов скважин в среднем на 30%.

Реализация работы в промышленности. Разработанная технология вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, с помощью малоглинистого полимерного раствора, принята за основу и внедрена при сооружении гидрогеологических скважин на юге Ростовской области, при »том экономический аффект на одну скважину глубиной 100 метров составляет порядка ч 0.2 млн. рублей в ценах на 1 января 1994 года.

Апробация работы. Основные вопросы, составляющие содержание диссертационной работы, докладывались на ежегодных пленарных заседаниях научной сессии Новочеркасского государственного технического университета (1983-

1995), на научных конференциях в Московской государственной геологоразведочной академии (1989-1994), а также на 2-м Международной симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложнённых условиях, Санкт-Петербург, 1992; на Всероссийских научных конференциях • седьмая краевая конференция по геологии и полезным ископаемым Северного Кавказа, Ессентуки, 1991; Экологические проблемы в горном деле и геологии, Нижний Новгород, 1993; Научно-практическая конференция по бурению скважин, Екатеринбург. 1994; Гидрогеология, инженерная геология и геология месторождений полезных ископаемых, Екатеринбург, 1994; Проблемы геологии полезных ископаемых юга России, Новочеркасск,1995.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в монографии "Сооружение гидрогеологических скважин", 1992 г., а также в 27 печатных работах.

Объем и структура диссертации, Диссертационная работа изложена на 290 страницах машинописного текста. Текстовая часть иллюстрирована 21 таблицей и 42 рисунками. Список литературы состоит из 222 источников.

Диссертация является результатом производственных и научно-исследовательских работ, выполненных в Кустанайской гидрогеологической экспедиции, Ростовской комплексной геологоразведочной экспедиции, ВСЕГИНГЕО, а также на кафедре "Геоэкологии, гидрогеологии и инженерной геологин" Новочеркасского государственного технического университета в течении 1974 - 1995 годов.

Работа базируется на теоретических и практических исследованиях отечественных и зарубежных специалистов а также разработках, выполненных лично автором.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе диссертации дан краткий анализ и оценка современных способов вскрытия водоносных пластов.

Во второй главе диссертации изложены основные факторы, снижающие проницаемость водоносных пластов, и разработаны мероприятия, направленные на сохранение естественной проницаемости фильтров.

Третья глава диссертации посвящена исследованию и разработке теоретических вопросов омагнкчивания малоглинистых полимерных промывочных жидкостей.

В четвертой главе диссертации исследуются и разрабатываются эффективные способы вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и ;реднезернистыми песками.

В пятой главе диссертации приведены материалы по экономической »ффективности от внедрения предложенных мероприятий.

В работе выполнен анализ и обработка большого количества опытов по вскрытию водоносных пластов в различных районах. Представительность и достоверность данных оценивались с помощью известных методов математической статистики. При выполнении диссертационной работы использовались первичные материалы ряда гидрогеологических партий, материалы экспериментальных работ автора' и техническая литература.

Не рассматриваемые в диссертации способы и технологию вскрытия водоносного пласта автору выдано два патента.

Основные защищаемые положения.

Первое ^")'пЧ'М"?мое положение. Разработан метод предотвращающий кольматаиию фильтра, основанной на использовании растворяющихся защитных паст специального состава, определены оптимальные соотношения ингредиентов состава паст, позволяющие регулировать время их распада.

Основными факторами, снижающими водопроводимость пород пласта при его вскрытии бурением, являются: глинизация, механический кольыатаж шламом, химический кольыатаж и гидродинамические воздействия бурового раствора на пласт.

Отрицательное влияние глинистого раствора при вскрытии водоносных пластов вращательным бурением достаточно велико. Многолетний опыт применения глинистых растворов при вскрытии водоносных пластов показывает, что проникновение дисперсной фазы раствора и шлама в пласт снижает водоотдачу пласта в 10 - 20 раз и требует дорогостоящих и длительных мероприятий по освоению скважины.

В результате проведения опытов было установлено, что процесс глинизации водоносных пластов идет в двух направлениях: наружная глинизация в результате образования плотной и рыхлой глинистой корки на стенках скважины и внутренняя -вследствие проникновения глинистых частиц в поровое пространство водоносного пласта.

При наружной глинизации водоносного пласта глинизируется рабочая часть фильтровой колонны во время спуска ее в скважину вследствие трения и соприкосновения ее с глинистой коркой.

Интенсивность внутренней глинизации зависит от следующих факторов: пористости и проницаемости пород пласта, вязкости и статического напряжения сдвига глинистого раствора и избыточного давления на пласт. Глинистые частицы, попавшие в поры и трещины водоносного пласта, набухают и защемляются, создавая водонепроницаемый экран, прочность которого .зависит от отрезка времени между операцией по вскрытию пласта и началом его освоения.

Качество вскрытия водоносных пластов зависит также от наличия шлама в промывочной жидкости. Сооружая скважину на воду, нельзя всегда добиваться максимального удаления шлама, в отдельных случаях шлам в скважине даже необходим. Так, при вскрытии водоносных пластов, сложенных рыхлыми отложениями, шлам выполняет функции механического ксльматанта стенок скважин, повышая их устойчивость и снижая водопоглощающую способность пласта. При освоении водоносного пласта закольматированный слой разрушается.

Химический кольматаж пород водоносного пласта происходит под действием различных кольматантов, образовавшихся в результате химических реакций промывочного раствора, пластовой воды, пород, слагающих пласт, и др.

Основными источниками гидродинамического воздействия на пласт при вращательном бурении являются: спуско-подъемные операции, проводимые в скважине; пульсация рабочего потока промывочной жидкости при подаче ее поршневыми насосами; вибрация колонны бурильных труб в процессе бурения; специальные работы в скважине (крепление, взрывы, откачки и т.д.); вскрытие водоносного пласта бурением и т. д.

Необходимо отметить ошибочное мнение отдельных исследователей о том, что кольматация водоносного пласта при бурении скважины с применением глинистых растворов - основная причина резкого падения дебита скважин, а кольматация фильтров имеет второстепенное значение. При прочих равных условиях степень отрицательного влияния бурового раствора на дебит скважины будет зависеть от возможности защиты фильтра при спуске в скважину, скорости спуска фильтра, применяемого бурового раствора. Интенсивная кольматация происходит за счет втирания глинистой корки и фильтрации глинистых частиц промывочного раствора через сетку фильтра.

В практике бурения имеются случаи, когда после спуска фильтровой колонны скважины оказывались практически безводными (участки Озерный, Затобольский, Карагамарский и т.д.), хотя опробуемый водоносный горизонт имел ;ебит 1.6 - 2.5 л/с. После безуспешной разглинизации таких скважин фильтровую «хпонну извлекали на поверхность. Фильтр был покрыт слоем глинистых частиц, 1ричем наиболее плотная часть глины находилась между сеткой и перфорированной грубой, которую с трудом очищали с помощью щеток и сильной струи воды. Резкое ^еньшение дебита скважины произошло в результате интенсивной кольматации ■линистыми частицами фильтровой колонны при ее спуске.

Таким образом, кольматация фильтров во время установки их в скважинах «избежна, что влечет за собой дорогостоящую разглинизацию. Поэтому необходимо 1роизводить защиту фильтров от кольматации до спуска их в скважину.

Идея защиты фильтров от кольматации до спуска их в скважину насказывалась ранее Гаврилко В.М., а затем сотрудниками лаборатории

промывочных жидкостей и цементных растворов Северо-Кавказского геологического управления. В основе этого метода использовались защитные пасты, состоящие из смеси вяжущих веществ и инертных наполнителей, не вступающих между собой в химическую реакцию. В качестве вяжущих веществ использовались формальдегидная смола, МФ-19-62, декстриновая крупа и силикат натрия. Наполнителем служил технический тальк и мел строительный.

При проведении лабораторных работ и практических опытов было выявлено, что применение в качестве вяжущих декстриновой крупки и силиката натрия является более аффективным, чем применение форм альдегидной смолы МФ-19-62. В случаях применения формальдегидной смолы МФ-19-62 в качестве компонента пасты на фильтре, после разглинизации, остается тонкая пленка, которая очень трудно смывается. Паста оказалась неподходящей по этой причине.

С целью защиты сетчатых фильтров от кольматации автором, в Кустанайской гидрогеологической экспедиции, были разработаны пасты применительно к условиям Тобольского и Тургайского артезианских бассейнов. Разработана инструкция по приготовлению и применению защитных паст,

предотвращающих кольматацию фильтров гидрогеологических скважин.

Поверхность фильтра покрывается слоем пасты толщиной 1.5-2 им., которая образует защитный слой, предотвращающий попадание кольматанта в фильтр во время спуска его в скважину.

В лабораторных услсэиях были изучены закономерности распада ласты в различных промывочных жидкостях ~с различной минерализацией и физико-химическими свойствами, определены прочностные характеристики затвердевшей пасты. Лабораторные исследования и результаты промышленного внедрения показали, что рецептура пасты зависит от таких факторов как глубина скважины, химический состав и вид промывочного раствора, минерализация води вскрываемого пласта, длительность хранения защищенных пастой фильтров. Е результате проведения большого объема лабораторных экспериментов была рекомендована защитная паста, имеющая следующий оптимальны*' состав (табл. 1).

Для сравнения фактических затрат времени на раэглинизацию защищенное и незащищенного пастой фильтра на участке предварительной разведки подземные вод для водоснабжения г. Рудного Кустанайской области были пробурены одни* у станком с соблюдением единой технологии скважины одинаковой конструкции Эффективность применения защитной пасты оценивалась по результатам опытны: откачек (табл. 2).

Таблица 1

Техническая характеристика защитных паст, рекомендованных для условии минерализации промывочной жидкости до 1.5 г/л.

Параметры и компоненты паст Глубина скважины, м

до 50 до 100 до 200 до 500

Время распада в глинистом

растворе, ч. 2.5 4 7 9

Время распада в воде, ч. 1 2 3 5

Содержание, %: -

воды 35 20.5 10 21

силиката натрия 2 2.5 3 4

декстриновой крупки 15 17 20 25

талька 48 - 50

мела . - 60 67 -

Таблица 2

Сравнительная оценка эффективности применения фильтров

Номер скважины Глубина скважины, м Время разглинизации, ч Понижение, м Удельный дебит, л/с м

Фильтры, не защищенные пастой

3 70 5 3.0 0.3

4 68 5 3.1 0.1

б 70 5 3.0 0.1

11 73 5 2.9 0.1

9 70 5 2.9 0.5

12 80 5 2.7 0.2

8 80 5 2.9 0.5

Фильтры, защищенные пастой

1 70 2.5 3.0 1.5

.2 50 2.5 6.1 1.6

5 50 2.5 3.2 1.1

7 82 2.5 4.0 1.1

10 74 2.5 2.9 0.8

Интересные результаты получены на участке совхоза "Владимировский" Кустанайской области. Скважины сооружались в долине реки Тобол, водоносный пласт представлен крупнозернистыми гравелистыми песками с коэффициентом фильтрации свыше 20 м/сут. и вскрывался глинистым раствором с плотностью 1.2 г/см3. Скважины сооружались одной буровой бригадой с соблюдением одинаковых режимов бурения. Разглинизация выполнялась в течении двух станкосмен через башмак фильтра. Данные откачки приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнительная оценка эффективности применения фильтров.

Номер скважины Дебит, л/с Время разглинизации, ч Понижение уровня, м Удельный дебит, м

Фильтры, не защищенные пастой

1 3 5 7 2.7 2.6 2.8 2.7 14 14 ,14 14 5.1 5.0 5.2 5.2 0.53 0.52 0.54 0.52

Фильт зы, защищенные пастой

2 4 6 8 5.1 5.0 5.2 5.4 7 7 7 7 5.2 5.1 5.2 5.3 0.97 0.98 1.00 1.01

Результаты проведенных опытных работ позволяют сделать вывод о том, что применение защитных паст предложенного состава' способствует увеличению удельных дебитов в 1.5-2 раза и уменьшению времени разглинизации в 2 раза.

Для. условий работ Ростовской комплексной геологоразведочной экспедиции была предложена защитная паста на основе перлитового порошка (Арагатцское месторождение) путей его термической и механической обработки (табл. 4).

Для сравнения эффективности предложенной пасты были выполнены опытные работы на участке для водоснабжения населенных пунктов Орловского района Ростовской области. Эффективность применения защитной пасты оценивалась по результатам откачек (табл. 5). Водоносный пласт, залегающий в интервале 50 - 60 метров, представлен разнозернисТьш песком, фильтры изготовлены иа латунной сетки галунного плетения длиной 10 метров.

Таблица 4

Техническая характеристика защитных паст с минерализацией промывочной жидкости до 1.5 г/л.

Параметры и компоненты паст Глубина скважины, м

до 50 до 100 до 200 до 500

Время распада в глинистом

растворе, ч. 2.5 4 7 9

Время распада в воде, ч. 1 2 3 5

Содержание в %:

воды 35 20.5 10 21

силиката натрия 2 2.5 3 4

перлитового порошка 2 2.5 3 4

декстриновой крупки 13 14.6 17 21

талька 48 - - 50

мела - 60 67 -

Таблица 5.

Сравнительная оценка эффективности применения фильтров.

Номер скважины Дебит, л /с Время разглинизации, ч Понижение уровня, м Удельный дебит, л!с м

Фильтры, защищенные пастой с перлитом

17 19 20 5.6 4.6 4.9 2 2 2 5.3 4.0 4.4 1.06 1.15 1.11

Фильтры, не защищенные пастой

18 11 12 2.4 3.1 3.0 4 4 4 4.9 6.6 5.7 0.49 0.46 0.52

Данные табл. 5 свидетельствуют о более высокой эффективности использования пасты, имеющей в своем составе перлит.

Определенный интерес представляет сравнение опытных данных по скважинам Зимовниковского района Ростовской области, фильтры которых были также защищены пастой, имеющей в своем составе перлит, и без такового.

При идентичности всех опытных условий сравнительные результаты представлены в табл. 6.

Таблица 6.

Сравнительная оценка эффективности применения фильтров.

Номер скважины Дебит, л/с Время рззглинизации, ч Понижение уровня, м Удельный дебит, л Iе и

Фильтры, защищенные пастой с перлитом

35 36 37 5.1 4.6 4.9 2 2 2 4.6 4.5 4.5 1.1 1.02 1.09

Фильтры, не защищенные пастой

38 39 40 41. 42 3.1 3.3 2.8 2.9 3.0 4 4 4 4 4 6.1 7.0 6.8 6.4 6.8 0.50 0.47 0.41 0.45 0.44

Анализ таблицы 6 показывает, что паста имеющая в своем составе перлит является более эффективной за счет увеличения скорости и полноты реакции распада.

Выполненные работы по использованию защитных паст позволили сделать следующие выводы:

1. Использование защитной пасты наиболее эффективно в скважинах, водоносные пласты которых представлены крупнозернистыми, среднезернистыми и разнозернисгыни неустойчивыми песками, где применение глинистого раствора необходимо.

2. Распад пасты после установки фильтра в скважине происходит в расчетное время. Это достигается за счет подбора ингредиентов и режима твердения пасты, нанесенной на фильтр перед его установкой в скважине.

3. Предлагаемый состав пасты не имеет вредных компонентов, что позволяет использовать ее при разведке месторождений подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

4. Применение пасты наиболее эффективно для защиты сетчатых и проволочных фильтров.

5. Технология освоения скважины должна включать в себя использование зафильтровой (наружной) и внутренней промывки.

6. Наиболее аффективной является паста, содержащая в своей составе перлит, применение »той пасты позволяет добиться увеличения удельных дебитов до двух и более раз при уменьшении времени разглинизации в два раза.

Второе защищаемое положение. Разработаны основные теоретические положения ионно-коллоидной теории омагничивания. объясняющие действие магнитных полей на малоглинистый полимерный раствор.

В настоящее время не предложено теории, достаточно удовлетворительно объясняющей действие магнитных полей на водную систему. Ее отсутствие отрицательно сказывается на практическом использовании эффекта магнитной обработки, не позволяет обоснованно подойти к конструированию аппаратуры и разработке оптимальных режимов магнитной водоподготовки. Применение магнитной обработки в, казалось бы, тождественных условиях часто приводит к различным результатам. До настоящего времени не удается рассчитывать оптимальные условия магнитной обработки растворов и автоматически их поддерживать.

Несмотря на большую пестроту и даже противоречивость высказываний по магнитной обработке, анализ накопившегося материала и личные исследования автора все же позволяют сделать некоторые обобщающие выводы по существу самого магнитного метода, о действующих при этом факторах, предпосылках по определению оптимальных параметров, границах применения магнитной обработки при современной ее изученности и об условиях дальнейшего изучения.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют установить, что причиной ускорения коагуляции частиц является воздействие магнитного поля на двойные электрические слои вокруг глинистых частиц - адсорбционный и диффузионный. Коагуляция глинистых частиц происходит путем преодоления энергетических барьеров, создаваемых двойными электрическими слоями вокруг коагулирующих частиц. Преодоление этого барьера происходит за счет кинетической энергии частиц различной конфигурации и массы в местах, где величина этого барьера минимальна. Поэтому для ускорения процесса необходимо увеличить число соударения частиц и уменьшить хотя бы локально ионно-электростатический барьер и способствовать тем самым сближению частиц на такое расстояние, при котором молекулярное взаимодействие между ними будет превышать силы отталкивания. Магнитное поле своей энергией изменяет адсорбционный потенциал на поверхности частиц, что приводит к изменению структуры раствора в целом.

Известно, что коллоидные частицы несут на своей поверхности отрицательный заряд СУд. В результате действия силы Лоренца возникает упорядоченное движение катионов в растворе, часть из которых попадает в слой Штерна и адсорбируется на поверхности частиц.

Суммарный поверхностный заряд частицы составляет Gz = <Г0 + О- (О

Увеличение значений ог приводит к уменьшению падения напряжения в диффузионной части двойного слоя и, как следствие, к уменьшению силы

отталкивания частиц. Из уравнения сохранения заряда нетрудно получить

«

дифференциальное соотношение для зависииости СS от времени:

— =8П-—, MeSc, ьо, о(0) = 0, (2) dt т

где Ôn = Ô • П - нормальная компонента плотности тока на поверхности частицы. Так как

8П=зхсда, (з)

k-t

То V° = bki. (4)

Следовательно

После прохождения частицы под разноименными магнитными полюсами, она получает дополнительный заряд, распределенный по всей ее поверхности. Суммарный заряд катионов, адсорбируемый на коллоидной частице, приближенно равен (без учета эффекта насыщения) V Rt ^

Q^Ml^q^CfcTcR2. (6)

. er k=l

Величина Q есть функция параметра U»VH и может быть принята за критерий качества магнитной обработки определенных видов коллоидов.

Функция Q(U) позволяет оптимизировать технические параметры конструкции аппарата для магнитной обработки

Очевидно, что рациональными являются конструы;ии, для которых * #

V-H< U , так как при U = U функция Q(U) достигает своего минимума.

Данные выводы качественно согласуются с экспериментальными данными по зависимости водоотдачи от скорости потока раствора и величиной магнитной

напряженности. В обеих сериях опытов оптимальные значения параметра U* оказались примерно одинаковыми:

U*«0.5 м/с 2200Э - 1100 мэ/с; U2-0.5m/c 2000Э- 1000 мэ/с.

Расхождение значений в 10% соответствует величине разброса экспериментальных значений, что является одним из аргументов в пользу рассматриваемой модели магнитной обработки суспензий.

Одним из важных факторов является ориентированная адсорбция полимера на коллоидных частицах. В результате может наблюдаться и обратный эффект -повышение устойчивости суспензий. Одно из проявлений магнитного поля заключается в определенном увеличении адсорбции катионов или молекулярных групп соответствующей полярности. Следствием этого является усиление процессов структурообразования в коллоидном растворе, повышение его вязкости 4 и уменьшение водоотдачи.

Влияние магнитных полей на полимерный малоглинистый раствор не ограничивается изменением их структуры. При движении жидкости в магнитном пале существенную роль играют также так называемые силы Лоренца, действующие со стороны внешнего поля на ионы. Под влиянием этих сил траектории движения гидратированных ионов в области воздействия магнитного поля изменяются. Сила Р, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле напряженностью Н со скоростью V, равна произведению

Р = • V • вша], (7)

Из данного уравнения следует, что влияние магнитного поля на движущиеся ионы определяется не только напряженностью магнитного поля и скоростью потока, но и углом между направлением магнитного потока и потока жидкости.

Влияние магнитного поля максимально при движении жидкости в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Следует отметить, что силы, действующие на катионы и анионы, движущиеся в одном направлении, имеют различный знак и отклонения траекторий движения катионов и анионов в магнитном поле также будут противоположны по направлению.

Рассмотрим водно-дисперсную систему, представляющую собой суспензию. Подобная система характеризуется существенной неоднородностью как на макро-, так и на микроскопическом уровне (в масштабах размеров коллоидных частиц).

В первом приближении соответствующая система уравнений переноса может быть сформулирована в следующем виде:

= к = 0,Л, (8)

ах

N N

к=1 к=1

= (в)

' Ьк

где (8) ■ уравнение переноса массы, (9) • уравнение переноса импульса в приближений сплошной среды.

Система (8-9) должна быть дополнена соответствующим уравнением состояния:

Рк= У , к=1,ГГ. (10)

ы

Зависимость индукции раствора от времени определяется по формуле:

Б = Вгехр

(11)

Таким образом, постоянная релаксации равна х,х

~

(12)

где Тв = —р—, а = а0Н2ц.о. Постоянная времени Тр пропорциональна 2кБТ

размерам частицы и величине вязкости раствора и обратно пропорциональна температуре, что и было подтверждено в дальнейшем практическими опытами.

С целью изучения структуры малоглинистого полимерного раствора автором были выполнены исследования на электронном микроскопе ЭВМ-10ЛМ методом угольных . реприк. Анализ электронных микрофотографий 'малоглинистого полимерного раствора, полученных на микроскопе, до омагничивания и после омагничивания позволяет сделать следующие выводы.

На фотографиях раствора до омагничивания взаимодействие между глинистыми частицами выражено слабо; отдельные частицы глины в полимерном растворе находятся относительно далеко друг от друга, образуя локальные конгломераты с прослойками полимерного раствора; взаимодействие между глинистыми частицами проявляется в соответствии с теорией ДЛФО. Происходит необратимая коагуляция коллоидных частиц, они сближаются настолько медленно, что их кинетической энергией можно, пренебречь по сравнению с энергией их взаимодействия. Считается, что коагуляция осуществляется, если сумма энергии отталкивания двойных слоев частиц и энергии молекулярного притяжения частиц равна нулю.

При наложении на раствор постоянного магнитного поля напряженностью 2000 Э. Происходит нарушение седиментационной устойчивости, образуются крупные глинистые частицы, наблюдается их агрегация. Структура раствора становится более упорядоченной в виде сетки, образуются области имибилизованной жидкости.

Под влиянием магнитного поля, вероятно, происходит перенос противоионов в адсорбционный слой и устанавливается новое динамическое равновесие. Противоионы под действием магнитного поля частично адсорбируются. Однако в дальнейшем происходит поверхностная диффузия ионов и обратный переход их в диффузионный слой. Вокруг частицы восстанавливается первоначальное распределение двойного электрического слоя. Время восстановления двойного электрического слоя и есть, очевидно, время релаксации.

"Память" омагниченного раствора в значительной степени определяется газами, присутствующими в растворе. Находящиеся в растворе микропузырьки газов имеют на границе раздела газ - жидкость поверхностный заряд. Магнитное поле воздействует на диффузионный слой вокруг пузырьков газа, при этом происходит коалесценция и последующее удаление пузырьков газа из раствора. Раствор начинает релаксировать, магнитные свойства его изменяются. Исходя из этих соображений, нами предложен аэратор, который способствует улучшению качества омагниченного малоглинистого полимерного раствора за счет его аэрации.

С целью определения времени "памяти" и .характера релаксационной зависимости были выполнены экспериментальные исследования при напряженности 2000 Э., скорости протекания раствора 0.5 м/с и неизменных остальных параметрах. Воздействию подвергался малоглинистый полимерный раствор с параметрами: плотность 1.1 г/см3, вязкость - 19 е., водоотдача - 14 см3 за 30 минут, температура исследуемого раствора изменялась от 10° до 50° С. Состав раствора: КМЦ - 1 %, гипан - 1.5%, суглинок - 4%, остальное - вода.

Анализируя релаксационную кривую (рис. 1), можно сделать вывод - время "памяти" омагниченного малоглинистого раствора довольно значительно - более 24 часов. Интервал времени до 10 часов можно считать рабочим для использования раствора с целью вскрытия водоносного пласта.

Установлено,- что магнитное воздействие вызывает существенное изменение в свойствах растворов реагентов-стабилизаторов типа КМЦ, гипана. Изменения в подмолекулярной структуре растворов КМЦ и гипана в значительной мере изменяют процесс адсорбционного взаимодействия реагента с поверхностью глинистых частиц, следствием чего является изменение важнейших показателей полимерной промывочной жидкости - повышение вязкости и снижение водоотдачи.

Полимеры типа , КМЦ и гипана являются высокомолекулярными соединениями, их макромолекула имеет линейную структуру. Ее можно условно представить как нить диаметром 1 мм и длиной 1600 мм.

•\У«14,9 • 0.36П + 7,4*соз((0,45 - 0,001 П)(Т +1,4)); У=0,072; Б-0,27;

в 2 4 в I «12 14 М И 20 22 М

Время релаксации Т, ч и - М0*С. t2 ~ Ы7'С, Й - МО'С, 14 - 1=30*С, 15 -- {=40*С, 16 -- 1=50'С

Рис.1. Зависимость эффективности магнитной обработки малоглинистого полимерного раствора от времени релаксации

При обработке раствора магнитным полем происходит увеличение длины макромолекулы и ее выравнивание. На ее поверхности адсорбируется еще большее количество свободной воды, за счет этого и происходит повышение вязкости и снижение водоотдачи.

Стабилизирующее действие КМЦ и гипана определяется не только их молекулярной природой, но и такими факторами как плотность и дисперсность промывочной жидкости, концентрация солей и концентрация вводимого реагента.

Поиск теоретических обоснований опытных зависимостей и возможного механизма магнитной обработки очевидно может быть плодотворным на пути статистического обобщения всего накопленного в этой области фактического материала. Если попытаться сделать это в самом предварительном виде, то можно заметить следующее. Магнитная обработка водных систем приводит как бы к стремлению воды "вытолкнуть" из себя все посторонние вещества. Это явление прослеживается на совершенно различных уровнях дисперсности: ионном, молекулярном и макроскопическом. Так, например, взаимная ассоциация находящихся в воде посторонних ионов, приводящая к ускорению процессов кристаллизации, иллюстрирует это явление на ионном уровне повышением поверхностной активности ряда реагентов, образующих молекулярные и полуколлоидные растворы - на молекулярном уровне; агрегация частиц золей или суспензий за счет изменения смачиваемости, что указывает как бы на лучшее отторжение воды от твердых поверхностей - на макроскопическом.

Элемент общности в опытных данных и теоретических концепциях указывает на то, что, по всей вероятности, на первый план можно выдвинуть предположение о возможности изменения во всех случаях структуры водных растворов.

Трудность понимания физической сущности магнитной обработки возникает из-за малой энергии, сообщаемой раствору и загадочности механизма "памяти" раствора. Это энергия на преодоление дополнительного сопротивления в зазоре с магнитным полем, поэтому энергетические состояния раствора до и после магнитной обработки достаточно близки, но разделены высоким энергетическим барьером.

При добавках реагентов-стабилизаторов они, адсорбируясь своими гидрофильными полярными группами на поверхности глинистых частиц, образуют защитную оболочку вокруг частицы, которая является барьером для образования коагуляционных структур. В результате ориентированной адсорбции полимера происходит постепенная гидрофобизация глинистых частиц углеводородными цепями, торчащими наружу. Образующиеся при этом пространственные полимерные сетки состоят из молекул-диполей. Сеточные макромолекулы выстраиваются магнитными моментами против направления внешнего поля и, следовательно, будут притягиваться друг к другу, образуя стабильные пространственные комплексы, так

называемые клатратные структуры, существующее в течение нескольких часов, при этом увеличивается вязкость и уменьшается водоотдача раствора.

"Структурная память" связана с упорядочением дипольных моментов молекул воды в магнитном поле и образованием новых связей.

Сторонники "коллоидных гипотез" полагают, что взаимодействовать с магнитными полями в условиях магнитной обработки могут только пара- и ферромагнитные частицы субмикроскопических размеров, всегда присутствующие в воде. Так как суглинок, входящий в состав малоглинистого полимерного раствора, являясь парамагнетиком, содержит в своем составе ферромагнитные частицы, то отвергнуть "коллоидную" часть механизма магнитной обработки не представляется возможным. "Ионный" механизм магнитной обработки раствора достаточно подробно изложен ранее.

- Анализируя все выполненные и изложенные в данной работе исследования, считаем, что ионно-каллоидный механизм обработки налоглинистых полимерных промывочных жидкостей является определяющим в данном случае.

Рассмотрев краткую характеристику всех четырех компонентов малоглинистого полимерного раствора, можно сказать, что малоглинистый полимерный раствор, состоящий из суглинка - 4%, КМЦ - 1%, гипана • 1.5%, воды - остальное, относится к классу парамагнетиков. Этот вывод подтверждает экспериментальные исследования, выполненные автором на магнитных крутильных весах с целью определения магнитной восприимчивости компонентов раствора. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает суглинок, затем КМЦ, гипан и вода. Совокупность этих компонентов усиливает магнитную восприимчивость раствора. Мы, как бы, добиваемся "умножения" эффективности омагничивания малоглинистого полимерного раствора за счет того, что каждый ингредиент его (суглинок, КМЦ, гипан, вода) вносит свою достойную лепту в увеличение эффекта омагничивания.

Третье защищаемое положение. На уровне изобретения разработана принципиально новая. эффективная технология вскрытия водоносных пластов. представленных мелко- и срепнезернистыми песками, омагниченной малоглинистой полимерной промывочной жидкостью.

Одним из перспективных направлений поиска повышения эффективности обработки буровых растворов с целью улучшения их качества, является использование магнитных полей, которые позволяют регулировать параметры буровых растворов с наименьшими затратами.

Экспериментальное изучение эффектов магнитной обработки проводилось в двух основных направлениях. Первое было связано с уточнением модели явлений и процессов, происходящих в водно-дисперсных системах при их магнитной обработке

в лабораторных условиях ; второе - с изучением некоторых особенностей, которые имеют место при обработке малоглинистого полимерного раствора для вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, непосредственно в полевых условиях.

Принимая во внимание результаты лабораторных работ, геолого-гидрогеологическую характеристику района бурения гидрогеологических скважин в рыхлых неустойчивых-отложениях, где водоносный пласт представлен в основном мелко- и среднезернистыми песками и где возникает необходимость в создании избыточного гидростатического давления для обеспечения устойчивости стенок водоносного пласта, предложено использовать малоглинистую полимерную промывочную жидкость следующего состава: гипан - 1.5%; КМЦ - 1%; суглинок -4%; остальное - вода. Присутствие КМЦ и гипана уменьшает степень кольматации водоносного пласта за счет создания полимерной пленки, способствует уменьшению размываемости ствола скважины, уменьшает время на разглинизацию, повышает качество вскрытия водоносного пласта. Присутствие суглинка в растворе способствует поддержанию плотности промывочной жидкости в среднем равной 1.1 г/см3, что позволяет удерживать стенки водоносного пласта в устойчивом состоянии. Суглинок выгодно отличается от глины как компонент раствора, так как в меньшей степени проникает вглубь водоносного пласта, способствует меньшей его глинизации. Параметры такого раствора: плотность 1.1 г/см3, вязкость - 22 е., водоотдача - 8 см3 за 30 мин., содержание песка до 3%, толщина глинистой корки -0.8 мм, СНС, - 15 мг/см1, стабильность - 0.01 г/см, суточный отстой - 1%, рН -7.3.

Омагничивание раствора осуществлялось в течение всего времени сооружения скважины с помощью аппарата, стационарно смонтированного на нагнетательной линии промывочного насоса бурового агрегата. После магнитной обработки раствора наблюдается снижение водоотдачи" до 43% и увеличение вязкости до 16%. Расчет эффективности магнитной обработки производился по формуле:

w = ^ ~ в° 100%.

Опытные работы показывают, что оптимальной является напряженность в 2000 Э., при этом вязкость малоглинистого полимерного раствора составляет 22 е., а водоотдача - 8 см3 за 30 мин (рис. 2). Выполненными исследованиями установлено, что оптимальной скоростью пропускания раствора через аппарат является скорость 0.5 м/с.

В = 14,3 - 5,9*Н + 1,6*Н*2 У=0,26; 5=0,51;

Рис. 2.. Зависимость водоотдачи малоглинистой полимерной

промывочной жидкости от напряженности магнитного поля.

Анализ экспериментальных данных показывает, что эффективность магнитной обработки возрастает прямо пропорционально карбонатной жесткости в пределах исследуемой (3.0-4.0 мг-экв/л). Максимальный эффект омагничнвания малоглинистой полимерной жидкости наблюдается, когда число пересекаемых пар полюсов составляет шесть. Зависимость эффективности магнитной обработки от температуры исследовалась в диапазоне температур 10° - 80е С. С увеличением температуры эффективность магнитной обработки уменьшается. Установлено, что оптимальным является четыре пропускания жидкости через магнитное поле, дальнейшее увеличение количества пропусканий не влияет на эффективность обработки. Зависимость эффективности магнитной обработки раствора от времени изучалась при скорости прохождения раствора через аппарат, равной 0.5 м/с., числе пар полюсов - 6 и напряженности - 2000 Э.

Анализ этой зависимости показывает, что. малоглинистый полимерный раствор омагничивается максимально в течение первой минуты, что было подтверждено теоретическими исследованиями и расчетом времени релаксации.

Определенный интерес представляет исследование зависимости эффективности магнитной обработки раствора от числа Рейнольдса. Для данных условий оптимальное число Рейнольдса равно 3000 и характеризует определенную турбулизацию потока.

Было определено, что эффект магнитной обработки тем больше, чем выше концентрация кислорода в растворе. Для этих целей предложен и внедрен а производство трубный аэратор, работающий от компрессора бурового станка.

Для выявления зависимости эффективности магнитной обработки раствора от напряженности были выполнены опытные работы с различными растворами при одинаковых условиях. Полученные результаты (рис. 3) свидетельствуют о том, что омагниченный полимерный малоглинистый раствор является наиболее эффективным по сравнению с другими растворами. Опытно-промышленное внедрение омагниченного полимерного раствора позволяет получить увеличение удельных дебигов скважин в среднем на 30%.

Лабораторными опытами и практическим внедрением омагниченной промывочной жидкости доказано, что после обработки малоглинистого полимерного раствора резко увеличивается отделение шлама от раствора в зумпфе, что способствует увеличению скорости бурения и уменьшению износа деталей промывочного насоса, увеличивается дебит скважин за счет уменьшения глинизации стенок водоносного пласта и поверхности фильтра. Теоретически считается, -что каждая частица из любого вещества, кроме диамагнитного, обладает магнитным моментом.

- 6 + 20*Н - 4,5*Н*2; . У=0,09; $=0,32;

1

-4—2 3

-♦—4 -в—5 □ 6

1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 • 2,55 2,50 2,75 3,00

Напряженность магнитного поля Н.'тыс.Э

Рис. 3. Зависимость эффективности магнитной обработки растворов от напряженности магнитного поля 1 - состав раствора: КМЦ -1 %; гипан • 1,5%; суглинок - 4%; остальное -вода; 2 - состав раствора: КМЦ -1 %; гипан -1,5%; остальное -вода; • 3 - состав раствора: суглинок - 4%; остальное - вода;

4 - состав раствора: КМЦ - 1 %; остальное - вода;

5 - состав раствора: вода; & - экспериментальные точки

Постановка экспериментов по изучению осаждения глинистых частиц из омагниченного малоглинистого полимерного раствора позволила сделать следующие выводы:

- магнитное поле приводит к ускорению процесса осаждения глинистых частиц из раствора, влияет на формирование структуры глинистых осадков, на реологические и механические свойства;

- причиной ускорения коагуляции глинистых частиц является воздействие магнитного поля на двойные электрические ■ слои вокруг глинистых частиц; коагуляция глинистых частиц происходит путем преодоления энергетических барьеров, создаваемых двойными электрическими слоями вокруг коагулирующих частиц;

- процентное содержание глинистых частиц в поле напряженностью 2000 Э. значительно больше, осадок значительно плотнее, чем в поле с напряженностью 1000 Э и 3000 Э.;

• интенсивность выпадения в осадок глинистых частиц максимальна при напряженности магнитного поля, равной 2000 Э.;

- магнитная обработка малоглинистого полимерного раствора действует на коагуляцию значительно сильнее при росте температуры ;

• максимальная интенсивность выпадения в осадок глинистых частиц наблюдается в течение первых 30 минут.

На качество магнитной обработки малоглинистого полимерного раствора большое влияние оказывает правильный расчет и выбор аппарата. Наиболее эффективными являются аппараты с постоянными магнитами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Экспериментальные н теоретические исследования позволили вывести основные положения, определяющие результаты рассматриваемого процесса по, вскрытию водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками

1. Выполнен анализ и оценка современных способов вскрытия водоносных пластов.

2. Разработан метод, предотвращающий кальматацию фильтра, основанный на использовании растворяющих защитных паст специального состава, определены оптимальные соотношения ингредиентов состава паст, позволяющих регулировать время их распада.

3. Использование пасты позволяет добиться увеличения удельных дебитов в 1.5-2 раза, при сокращении времени разглинизации в два раза.

4. Предложены, теоретически обоснованы и подтверждены практическими опытами основные положения ионно-коллоидной теории механизма магнитной обработки малоглинистого полимерного раствора, объясняющие происходящие при

этом явления "памяти", ускоренной коагуляции частиц из раствора, увеличение вязкости и уменьшение водоотдачи раствора.

5. Анализ экспериментальных зависимостей параметра водоотдачи от скорости потока раствора и магнитной напряженности подтвердил сделанное предположение о существовании критических значений параметра V • Н, при которых достигается максимальный эффект магнитной обработки и возможность оптимизации конструктивных параметров аппарата для омагничивания.

в. Подтверждены известные данные о деформации в магнитном поле двойного слоя коллоидных частиц. Сформулирована замкнутая система уравнений, описывающая процессы массо- и электропереноса в водно-дисперсных системах с учетом основных практически значимых факторов, таких как' магнитное поле, поверхностный ааряд на коллоидных частицах, параметры раствора, системы

- коллоидных частиц и конструкция аппарата для омагничивания раствора.

7. Получено соотношение,, описывающее процесс релаксации остаточной намагниченности раствора в зависимости от вязкости, размеров коллоидных частиц и температуры раствора.

8. Экспериментально установлена зависимость эффективности магнитной обработки малоглинистого полимерного раствора от времени релаксации, установлен рабочий интервал времени, в течении которого раствор можно использовать для вскрытия водоносного пласта.

9. Показано, что основной причиной проявления эффектов магнитной

- обработки таких как: увеличение вязкости, уменьшение водоотдачи, увеличение скорости выпадения шлама в осадок, увеличение времени релаксации - является изменение состояния малоглинистого полимерного раствора, образование кпатратных структур.

10. Влияние магнитного поля на реологические свойства раствора проявляется через посредство эффекта ориентации и дипольного взаимодействия.

11. Разработан и внедрен в практику специальный аэратор, который способствует увеличению эффективности магнитной обработки.

12. Магнитное поле создает особые связи, благодаря чему можно говорить о трех видах взаимодействия в малоглинистых полимерных растворах: молекулярном, электростатическом и магнитном.

13. Для более полного теоретического объяснения эффектов магнитной обработки растворов целесообразно моделирование молекулярной структуры раствора с учетом кванто-механических-эффектов.

\ 14. На уровне изобретения разработана принципиально новая, эффективная

технология вскрытия водоносных пластов, представленных мелко- и среднезернистыми песками, омагниченной малоглинистой полимерной промывочной

жидкостью, позволяющая добиться увеличения удельных дебитов скважин в среднем на 30% по сравнению с ранее применявшейся технологией.

15. Результаты исследования позволили сделать вывод о том, что для омагничивания малоглинистого полимерного раствора оптимальным является предложенное автором устройство для омагничивания на постоянных магнитах (патент 2011676).

16. Обработка малоглинистой полимерной промывочной жидкости в магнитном поле способствует снижению водоотдачи до 43% и увеличению вязкости до 16%.

17. Выполненными экспериментальными исследованиями выявлены зависимости эффективности магнитной обработки от напряженности магнитного поля, водоотдачи, вязкости, карбонатной жесткости, температуры, количества пересечений магнитного поля, времени обработки, числа Рейнольдса, концентрации кислорода, скорости потока жидкости. *

18. Установлено, что магнитное поле приводит к ускорению процесса осаждения глинистых частиц из малоглинистого полимерного раствора, влияет на формирование структуры глинистых осадков, на реологические и механические свойства осадка.

19. Изложенные представления о механизме коагуляции частиц различной дисперсности позволяют объяснить явления, происходящие после магнитной обработки малоглинистого полимерного раствора и принять правильные решения для выполнения практических задач.

20. Предложены методика выбора и расчет аппаратов для омагничивания малоглинистого полимерного раствора.

21. Экономический эффект при сооружении одной гидрогеологической скважины глубиной 100 м. составляет 0.2 млн. рублей в ценах на 1 января 1994 г.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Монография

1. Третьяк А.Я. Сооружение гидрогеологических скважин. Новочеркасск: НПИ, 1992. - 112с.

Статьи

2. Третьяк А.Я. Опыт бурения гидрогеологических скважин бригадой И.А.Глазера//Э.И. ВИЭМС, сер. библиотека передового опыта. - М., 1976. -№2.

3. Третьяк А.Я. Бурение гидрогеологических скважин долотами режеистирающего типа РИД в условиях Северного Казахстана/ / Э.И. ВИЭМС, сер. техника и технология геологоразведочных работ. • М., 1977. - № 7.

4. Третьяк А.Я. Опыт применения фильтров с коническими отверстиями при гидрогеологических исследованиях в условиях Казахстана / / Исследования гидрогеологических скважин. Сб. ВСЕГИНГЕО. - М., 1977. - вып. 117.

5. Третьяк А.Я. Борьба с осложнениями и выбор промывочных жидкостей при сооружении гидрогеологических скважин / / Геологические осложнения при механическом колонковом бурении и методы по их предупреждению и ликвидации. Материалы школы передового опыты. • Кустанай, 1978. - С. 10-18.

6. Третьяк А.Я. Бурение при гидрогеологических работах в Северном Казахстане / / Разведка и охрана недр. • 1979. - № 10.

7. Третьяк А.Я. Сооружение скважин на воду с прямой промывкой водой в условиях Северного Казахстана // Экспресс-информация/ ЦБНТИ Минводхоза. • М„ 1980. - Сер. 3, №3.

8. Третьяк А.Я. Вскрытие и освоение водоносных горизонтов гидрогеологических скважин // Экспресс-информация/ЦБНТИ Минводхоза. Сер. 3. Обводнение и с/х водоснабжение. М., 1980. - № 4.

9. Третьяк А.Я. Устройство для разглинизации гидрогеологических скважин // Экспресс-информация / ЦБНТИ Минводхоза. • М., 1980. - Сер. 3, № 5.

10. Третьяк А.Я. Выбор эффективных режимов бурения гидрогеологических ' скважин с помощью ЭВМ // Гидрогеология и инженерная геология.

Математические методы анализа информации: Межвуз. сб. • Новочеркасск, 1984.

11. Третьяк АЛ. Выбор осевой нагрузки при бурении глинистых пород долотами режущеистирающего действия //Экспресс-информация/ ЦБНТИ Минводхоза. - М., 1984. • Сер. 3, № 10.

12. Третьяк АЛ., Соловьев В.И. Пути повышения надежности сооружения скважин //Экспресс-информация/ ЦБНТИ Минводхоза. - М., 1984. - Сер. 3, № Ю.

13. Третьяк А.Я. Методы повышения производительности гидрогеологических скважин / / Гидрогеологические и инженерно-геологические аспекты охраны окружающей среды. Межвуз. сб. • Новочеркасск, 1985.

14. Третьяк АЛ. Сооружение скважин в Восточном Донбассе / /Экспресс-■ информация/ ЦБНТИ Минводхоза. - М., 1986. - Сер. 9, № 8.

15. Третьяк АЛ. Применение математических методов планирования \ эксперимента для определения оптимальных режимов бурения. // Применение

математических методов и ЭВМ: Тез. докл. научн. семинара. - .Новочеркасск, 1988. -С.З.

16. Третьяк А.Я. Прогнозирование поглощения промывочной жидкости при вскрытии водоносных пластов / / Прогнозирование в гидрогеологии и инженерной геологии: Межвуз. сб. - Новочеркасск, 1987. ■ С. 4.

17. Третьяк А.Я. Технология вскрытия и освоения водоносных горизонтов, представленных средне-разнозернистыыи песками / / Геология и разведка. • 1990. -№ 12. - С. 4.

18. Третьяк А.Я. Бурение скважин на воду с применением гипана / / Тез. докл. VII краевой конф. по геологии и полезным ископаемым Северного Кавказа. -Ессентуки, 1991. - С. 350.

19. Третьяк А.Я. Освоение водоносных горизонтов в мелкозернистых песках // 2-й международный симпозиум по бурению разведочных скважин в осложненных условиях: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1992. ■ С. 30.

20. Третьяк А.Я. Использование омагниченной воды для вскрытия водоносных пластов / / Экологические проблемы в горном деле и геологии: Тез. докл. науч.-практич. конф. - Нижний Новгород, 1993. - С. 30.

21. Третьяк А.Я. Теоретические аспекты омагничивания полимерных промывочных жидкостей //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Тез. докл. науч.-практ. конф. по бурению скважин. - Екатеринбург, 1994. - С. 37.

22. Третьяк А.Я. Теоретические вопросы омагничивания полимерной промывочной жидкости // Геология и разведка. - 1994. - № 5. - 4 с:

23. Третьяк А.Я. Воздействие постоянного магнитного поля на движущиеся растворы // Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Екатеринбург, 1994.

24. Третьяк А.Я. Основные вопросы теории и практики применения омагниченных полимерных промывочных жидкостей в бурении/ / Новые достижения в науках о Земле: Тез. докл. науч. конф. - Москва, 1994. - С. 110.

25. Третьяк А.Я. Вскрытие водоносных горизонтов омагниченным раствором. / / Зональная научная конференция. Проблемы геологии полезных ископаемых юга России: Тез. докл. науч. конф. - Новочеркасск, 1995.

26. Патент 2011676 Россия, МКИ СОЭК 7/02 Буровой раствор / А.Я.Третьяк. - Заявлено 20.04.90, опубликовано 28.06.1993.

27. Патент 2012584 Россия МКИ СОЭК 7/02 Буровой раствор / А.Я.Третьяк. - Заявлено 11.03.91, опубликовано 15.07.93.

28. Положительное решение по заявке № 93-014619/03(014187) от 22.03.93 МКИ СОЭК 7/02 Буровой раствор А.Я.Третьяк.

На различных стадиях разработок, исследований, испытаний и внедрения автор работал со многими сотрудниками, которым выражает благодарность и признательность. Особо автор выражает искреннюю благодарность профессору, члену-корреспонденту РАЕН, заслуженному деятелю науки и техники РФ Башкатову Д.Н., сотрудникам Новочеркасского государственного технического университета Денисенко В.В., Гавришину А.И., Кукозу Ф.И., Полову В.Г., работникам геологоразведочных экспедиций Ярославцеву В.А. и Ульянову П.П.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - поверхностная плотность заряда адсорбированных катионов Se - поверхность коллоидной частицы П - вектор нормали к поверхности Sc

X - постоянная времени десорбции катионов М е Sc - точка М принадлежит поверхности частицы Sc qk - величина заряда

- концентрация ионов k-того типа в растворе V; • скорость движения ионов относительно раствора

f^ - значение силы, действующей на ион в объеме раствора 1\ - подвижность частиц k-того сорта В - магнитная индукция

ег - относительная диэлектрическая проницаемость среды га • число пар полюсов аппарата R - средний радиус частицы

<Х - утоя между направлением движения потока и направлением

магнитного поля Z, - заряд частицы JJ. - магнитная проницаемость Vjj - потенциал адсорбции ионов k-того сорта С0 - суммарная концентрация частиц с учетом концентрации молекул растворителя Cw (в данном случае воды) - масса Рк- ионное давление Е - электрическая напряженность g - ускорение свободного падения V0 - начальный потенциал ионов

kg - постоянная Больцмана

Т - абсолютная температура

VA - эффективный объем ионов k-того сорта

Ц0 - вязкость раствора

тг - время релаксации

тв - постоянная времени релаксации

а0 - коэффициент пропорциональности

В0 - вязкость промывочной жидкости до обработки в магнитном поле В] - вязкость промывочной жидкости после обработки в магнитном поле В, - среднее значение индукции