Физические условия работы буровых растворов.
Химические условия работы буровых растворов.
Аксилсульфаты и Лигносульфанаты.
При изучении абсолютно новой для меня темы о пеногашении в буровых растворах у меня накопилось довольно большое количество вопросов.
Часть из них была связана с тем, что влияет на буровой раствор, пока он работает, что улучшает, а что ухудшает его рабочие характеристики.
Одни вопросы были связаны с физикой самого процесса бурения, другие- с химическим составом раствора и применяемых присадок.
Хотя эти вопросы были, в целом, не нужны для написания кейса, я все же выписал некоторые из них (далеко не все!), и попробовал найти на них ответы.
Ту информацию, которую я нашел, и смог сгруппировать в некие ответы, я публикую на этой странице.
Я не могу ручаться за правильность этих ответов- о большинстве вещей, упомянутых ниже, я и не слышал неделю назад.
Физические условия работы бурового раствора
1. Что такое биокоррозия бурового раствора?
Биокоррозия бурового раствора — это процесс разрушения компонентов раствора и бурового оборудования под воздействием микроорганизмов.
Основные причины биокоррозии:
— Анаэробные бактерии, поступающие из пласта с буровым раствором. Они активны в безкислородных условиях скважины.
— Аэробные бактерии из атмосферы и воды, занесенные в скважину с оборудованием и материалами.
— Поступление органических загрязнений (нефть, целлюлоза), служащих питательной средой для микроорганизмов.
Последствия биокоррозии:
— Разложение полимерных реагентов и снижение вязкости раствора.
— Образование вредных газов (сероводород, метан), усиливающих коррозию.
— Закупорка породы биополимерами, снижение проницаемости.
— Разрушение металла бурового оборудования и обсадных труб коррозией.
Для предотвращения биокоррозии применяют биоциды, обработку раствора, удаление органических загрязнений
2.Что такое вскрытие призабойной зоны? Как оно производится?
Вскрытие призабойной зоны — это комплекс работ по очистке и раскрытию пород в непосредственной близости от забоя скважины с целью повышения ее производительности.
Вскрытие проводится следующими способами:
— Механическими щетками-расчистителями для удаления остатков бурового раствора и шлама.
— Промывкой скважины специальными растворами для выноса частиц из забоя.
— Кислотной обработкой соляной или серной кислотой для растворения отложений и расширения трещин.
— Гидравлическим разрывом пласта, созданием трещин высоконапорной закачкой жидкости.
— Термическим воздействием — закачкой пара или горячей воды для ликвидации отложений.
— Вибрационным воздействием специальными излучателями для деструкции отложений.
— Гидропескоструйной перфорацией для создания каналов в пласте.
В результате вскрытия восстанавливается естественная пористость и проницаемость призабойной зоны пласта, что повышает дебит скважины.
3.Что такое агрегация частиц в буровых растворах?
Агрегация частиц — это процесс объединения отдельных частиц коллоидной системы в более крупные скопления, называемые агрегатами.
В буровых растворах агрегация может происходить с:
— Частицами глин, бентонита — образование хлопьев и коагуляционных структур.
— Микрокристаллами солей жесткости — формирование осадка и отложений.
— Выбуренной породой — слипание частиц в комки шлама.
— Продуктами химических реакций — выпадение осадков.
Агрегация приводит к ухудшению свойств бурового раствора:
— Снижение коллоидной стабильности, оседание частиц.
— Повышение вязкости, ухудшение реологии.
— Снижение смазывающей способности.
— Закупорка порового пространства породы.
Для предотвращения агрегации используют диспергаторы, регулируют pH и состав раствора, контролируют режим циркуляции.
5.Что такое природное пластовое давлении? Причины происхождения, физические характеристики.
Природное пластовое давление — это избыточное давление, которое существует внутри нефтегазоносных пластов.
Причины возникновения:
— Вес вышележащих горных пород создает гидростатическое давление на пласт.
— Аномально высокое пластовое давление может быть связано с геологическими процессами в недрах.
Характеристики:
— Величина пластового давления зависит от глубины залегания и плотности пород.
— Обычно составляет 60-90% от гидростатического давления на данной глубине.
— Может достигать 100 МПа и более на больших глубинах.
— Превышает давление в скважине в невскрытом пласте. Это приводит к фонтанированию.
— Поддерживает пластовые флюиды в жидком состоянии в пористой среде породы.
Природное пластовое давление определяет многие особенности разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений.
6. Из-за чего метан и воздух поступают из пласта в раствор?
Метан и воздух могут поступать из нефтегазового пласта в буровой раствор по следующим причинам:
— Выделение пластового газа. При разбуривании газонасыщенных пластов происходит поступление пластового газа (в основном метана) в ствол скважины.
Его источником является нефтегазовый коллектор.
— Снижение пластового давления. По мере разбуривания пласта происходит снижение природного пластового давления, что приводит к выделению растворенного газа.
— Нарушение герметичности эксплуатационной колонны или обсадной трубы.
Это открывает путь для проникновения пластового газа в затрубное пространство и далее в ствол скважины.
— Поглощение газа из пласта буровым раствором.
Раствор может как физически абсорбировать газ, так и химически взаимодействовать с ним с образованием газообразных продуктов.
— Заколонная циркуляция газа.
В некоторых случаях газ мигрирует за обсадными трубами и поступает в ствол скважины через негерметичные соединения колонны.
Основными источниками газа в буровом растворе являются пласт и процессы, происходящие при разбуривании и эксплуатации скважины.
Это приводит к насыщению раствора газом и последующему пенообразованию.
7. Что такое сдвиговое напряжение при течении раствора в трубопроводах?
Сдвиговое напряжение — это напряжение в потоке жидкости или газа, возникающее при течении вдоль твердой поверхности или слоя другой жидкости.
При течении бурового раствора в трубопроводах имеет место:
— Сдвиговое напряжение на стенке трубы из-за вязкого трения между прилегающим неподвижным слоем жидкости и движущимся потоком.
— Сдвиговое напряжение между слоями самой жидкости, имеющими разную скорость течения по сечению потока.
Эти напряжения стремятся сместить и сдвинуть слои жидкости относительно друг друга.
В результате происходит:
— Деформация и дробление капель жидкости и пузырьков газа.
— Перемешивание компонентов раствора.
— Турбулизация потока при высоких скоростях.
Сдвиговые напряжения оказывают значительное влияние на структуру потока бурового раствора, в том числе способствуя диспергированию газа и разрушению пены.
Динамические процессы при течении бурового раствора приводят к измельчению газовой фазы и образованию более стабильных мелкодисперсных пен
8.Что такое пластовые флюиды?
Пластовые флюиды — это жидкости и газы, содержащиеся в пористых горных породах нефтегазовых месторождений.
К пластовым флюидам относят:
— Нефть — основной целевой продукт при разработке месторождений. Представляет собой смесь углеводородов и примесей.
— Пластовая вода — содержится в породе в свободном виде или в составе эмульсии с нефтью. Может быть пресной, соленой или минерализованной.
— Природный газ — в основном метан, может также содержать этан, пропан, сероводород и другие компоненты.
— Конденсат — жидкие углеводороды, находящиеся в газовой шапке месторождения.
— Попутные компоненты — гелий, азот, диоксид углерода и др. газы, растворённые в нефти или газе.
Пластовые флюиды находятся в пласте под высоким давлением и при разбуривании поступают в скважину, оказывая влияние на буровой раствор.
Их состав и свойства нужно учитывать при строительстве скважины.
9. Применение соляной кислоты для вскрытия призабойной зоны
Соляная кислота часто применяется для обработки призабойной зоны скважины с целью её вскрытия.
Основные причины применения соляной кислоты:
— Удаление отложений и загрязнений со стенок скважины и призабойной зоны пласта.
Это могут быть остатки бурового раствора, частицы шлама, глинистая корка и др. Кислота растворяет эти отложения.
— Вскрытие трещин и каналов в пласте, закупоренных минеральными отложениями или осадками бурового раствора.
Кислотная обработка восстанавливает проводимость этих каналов.
— Увеличение проницаемости призабойной зоны за счет расширения естественных трещин и пор в породе.
— Предотвращение набухания глинистых минералов в призабойной зоне при контакте с водой бурового раствора.
— Интенсификация притока флюида в скважину за счет создания более проводимых каналов фильтрации.
Соляная кислота химически активно взаимодействует с карбонатными породами с выделением углекислого газа.
Это способствует расширению порового пространства и увеличению притока нефти или газа.
10. Нагрев буровых растворов. Причины нагрева, польза нагрева, вред нагрева. Какие бывают виды нагрева?
Нагрев буровых растворов применяется с различными целями:
Причины нагрева:
— Снижение вязкости раствора для облегчения циркуляции, особенно на больших глубинах.
— Интенсификация химических реакций между компонентами раствора.
— Повышение реакционной способности раствора по отношению к породе и отложениям в скважине.
— Предотвращение гидратообразования при бурении в многолетнемёрзлых породах.
Польза нагрева:
— Улучшение реологических и фильтрационных свойств раствора.
— Повышение скорости бурения за счет размягчения породы.
— Интенсификация очистки ствола скважины от кольматантов.
Вред нагрева:
— Повышенный износ бурового оборудования из-за термической эрозии.
— Возможное разрушение структуры и свойств полимерных добавок.
— Увеличение риска прихватов бурильного инструмента в скважине.
Виды нагрева:
— Прямой нагрев теплоносителем (пар, горячая вода, масло) в специальных нагревателях.
— Электронагрев с помощью ТЭНов или электродов.
— Фрикционный нагрев за счет трения раствора в забойных двигателях.
— Микроволновой и индукционный нагрев с помощью специальных генераторов.
Разумное применение нагрева улучшает свойства и технологичность буровых растворов
Химические условия работы бурового раствора
11. Почему неполярные углеводороды снижают вязкость и улучшают текучесть пеногасителей?
Неполярные углеводороды, такие как бензин, керосин, дизельное топливо,
используются в качестве разбавителей и снижают вязкость пеногасителей по следующим причинам:
— Углеводороды обладают низкой вязкостью и высокой текучестью по сравнению с маслоподобными пеногасителями.
— Они хорошо растворяются в неполярной основе пеногасителей (силиконы, органические масла), снижая полярность среды.
— За счет разбавления происходит уменьшение межмолекулярного взаимодействия и вязкости системы.
— Углеводороды улучшают смачивание поверхности труб, насосов и другого оборудования, облегчая течение пеногасителя.
— Они снижают температуру застывания пеногасителя, предотвращая кристаллизацию парафинов.
— Углеводороды испаряются из пеногасителя после его закачки в скважину, восстанавливая вязкость системы.
Разбавление неполярными углеводородами — эффективный прием для регулирования текучести и реологии пеногасителей.
12. Что такое межфазное натяжение на поверхности раздела жидкость-газ в буровом растворе?
Межфазное натяжение на поверхности раздела жидкость-газ играет важную роль в процессах пенообразования в буровых растворах.
— Это сила, возникающая из-за взаимодействия (притяжения) молекул жидкости друг с другом.
— Она стремится уменьшить поверхность раздела фаз и препятствует образованию газовых пузырьков в жидкости.
— Чем выше межфазное натяжение, тем труднее образуются пузырьки газа и тем менее стабильна пена.
— Величина межфазного натяжения зависит от природы жидкости и газа. Для воды оно составляет около 70 мН/м.
— Поверхностно-активные вещества (ПАВ) снижают межфазное натяжение, адсорбируясь на границе раздела фаз.
— Чем больше концентрация ПАВ, тем сильнее снижается натяжение и тем легче образуется пена.
— Кроме того, ПАВ стабилизируют пену за счет формирования прочных адсорбционных слоев на поверхности пузырьков.
Регулируя межфазное натяжение с помощью ПАВ, можно влиять на процессы пенообразования в буровых растворах.
13.Что такое комплексообразование, которое усиливает пенообразующий эффект ПАВ?
Комплексообразование поверхностно-активных веществ (ПАВ) — это процесс образования устойчивых молекулярных комплексов между
различными ПАВ на поверхности раздела фаз.
Это приводит к усилению пенообразующих свойств смеси ПАВ по следующим причинам:
— В комплекс вступают как правило гидрофильный и гидрофобный ПАВ. Это способствует лучшей ориентации ПАВ на границе раздела фаз.
— Образуются более крупные и прочные адсорбционные комплексы на поверхности пузырьков газа, улучшающие стабилизацию пены.
— Комплексы ПАВ имеют большую молекулярную массу, что увеличивает вязкость поверхностного слоя и замедляет старение пены.
— Совместное действие ПАВ приводит к более сильному снижению межфазного натяжения, чем от раздельных ПАВ.
— Комплексообразование позволяет регулировать гидрофильно-липофильный баланс смеси ПАВ, оптимизируя её пенообразующую способность.
За счет синергетического эффекта и взаимного усиления активности, смеси ПАВ образуют более стабильную пену,
чем индивидуальные ПАВ при той же концентрации.
ПАВ являются основными стабилизаторами пены в буровых растворах, уменьшая натяжение на границе раздела фаз и замедляя процессы разрушения пены.
14. Каковы свойства гидрофильных и гидрофобных группах в молекулах ПАВ?
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) обладают амфифильным строением, то есть содержат в молекуле гидрофильные (полярные) и гидрофобные (неполярные) группы.
Это определяет их поведение на границе раздела вода-воздух.
Гидрофильные группы:
-Полярные, хорошо растворимые в воде за счёт водородных или ионных связей.
-Чаще всего — ионизированные карбоксильные, сульфатные, сульфонатные группы.
-Ориентируются в водную фазу и обеспечивают растворимость ПАВ.
Гидрофобные группы:
-Неполярные, плохо растворимые в воде углеводородные радикалы.
-Включают алкильные, алкиларилфенильные остатки, фторальифатические цепочки.
-Ориентируются в сторону газовой фазы, придавая гидрофобность.
-Их длина влияет на поверхностную активность ПАВ.
Благодаря наличию гидрофильных и гидрофобных групп, молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела вода-воздух,
снижают поверхностное натяжение и способствуют образованию устойчивой пены.
15. Как именно поверхностно активные вещества (ПАВ)влияют на снижение поверхностного натяжения в буровом растворе?
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) снижают поверхностное натяжение бурового раствора следующим образом:
— Молекулы ПАВ имеют два конца — гидрофильный (растворимый в воде) и гидрофобный (нерастворимый).
— При контакте с водой они адсорбируются на поверхности раздела фаз вода-воздух гидрофильными группами в сторону воды,
а гидрофобными — в сторону воздуха.
— Это приводит к тому, что молекулы воды на поверхности раздела ориентируются определенным образом вокруг гидрофильных групп ПАВ.
— В результате их взаимодействие с молекулами воздуха ослабляется и уменьшается сила поверхностного натяжения.
— Чем выше концентрация ПАВ, тем больше молекул ориентируется на поверхности раздела фаз и тем сильнее снижается поверхностное натяжение.
— Дополнительное влияние оказывает химическая природа и строение молекул ПАВ (длина углеводородной цепи, полярность групп и т. д.).
— Синергетический эффект возникает при использовании смесей различных ПАВ.
Механизм действия ПАВ основан на их поверхностной активности и способности адсорбироваться на границе раздела жидкость-газ,
ослабляя межмолекулярное взаимодействие. Это ведёт к эффективному снижению поверхностного натяжения бурового раствора.
16. Что такое диспергирование газа?
Диспергирование газа — это процесс измельчения пузырьков газа в жидкой среде с образованием дисперсной системы,
состоящей из мелких пузырьков газа, равномерно распределённых в объёме жидкости.
Примеры процессов диспергирования газа:
— Барботирование — продавливание газа через отверстия или пористые перегородки в жидкость с образованием мелких пузырьков.
— Механическое перемешивание жидкости, содержащей газ, мешалками или диспергаторами.
— Интенсивная аэрация жидкости через диспергирующие насадки.
— Кавитация — образование и быстрый схлоп паровых пузырьков в потоке жидкости.
— Ультразвуковая обработка жидкости, вызывающая кавитацию и дробление пузырьков.
— Фильтрация газа через пористые перегородки или мембраны с микропорами.
17. Что имеется в виду под адсорбцией ПАВ в буровых растворах?
Адсорбция ПАВ — это процесс поглощения их молекул на поверхности раздела фаз в буровом растворе.
Основные случаи адсорбции ПАВ:
— Адсорбция на границе раздела жидкость-газ, например, на поверхности пузырьков воздуха или газа.
Приводит к снижению поверхностного натяжения и стабилизации пены.
— Адсорбция на поверхности твердых частиц. Молекулы ПАВ адсорбируются на частицах глин, барита, выбуренной породы,
приводя к их сольватации и предотвращению агрегации.
— Адсорбция на поверхности металла бурового оборудования и инструмента. Обеспечивает смазывающее действие ПАВ, снижение трения.
— Адсорбция на стенках скважины и породе пласта. Формирует глинистую корку, снижающую фильтрацию бурового раствора.
Следовательно, адсорбция является одним из основных факторов, определяющих действие ПАВ в буровых растворах.
Её учет необходим для регулирования свойств буровых растворов
18. Что такое алкилсульфаты в буровых растворах и для чего они нужны?
Алкилсульфаты — это класс поверхностно-активных веществ, которые часто используются в буровых растворах в качестве эмульгаторов,
смачивателей и диспергаторов.
— Представляют собой соли серной кислоты и высших алифатических спиртов (алкилсульфаты).
— Наиболее распространены натриевые соли — додецилсульфат натрия (SDS), лаурилсульфат натрия.
— Эффективно снижают поверхностное и межфазное натяжение воды.
— Хорошо смачивают и эмульгируют углеводороды, способствуя их совместимости с водной фазой.
— Диспергируют частицы глин, барита, выбуренной породы, предотвращая их агрегацию.
— Стабилизируют эмульсии бурового раствора с пластовыми флюидами.
— Являются компонентами моющих составов для обработки скважин и бурового оборудования.
— Могут входить в состав пеногасителей и регуляторов фильтрации.
Алкилсульфаты широко применяются в буровых растворах для улучшения их свойств.
19. Для чего применяются Лигносульфонаты в буровых растворах?
Лигносульфонаты — это поверхностно-активные вещества,
которые используются в буровых растворах в качестве эффективных диспергаторов и снижающих фильтрацию добавок.
Их основные функции:
— Диспергация глин и ингибирование набухания глинистых частиц в водных растворах.
Лигносульфонаты адсорбируются на частицах глин, предотвращая их слипание и агрегацию.
— Снижение водоотдачи бурового раствора, уменьшение фильтрации в пласт. Лигносульфонаты образуют низкопроницаемую корку на стенках скважины.
— Стабилизация эмульсий и пен при бурении в нефтегазоносных пластах. Лигносульфонаты являются эффективными эмульгаторами.
— Повышение смазывающей способности бурового раствора. Лигносульфонаты адсорбируются на поверхности металла, уменьшая трение.
— Комплексообразование ионов жесткости в растворе, предотвращение выпадения осадков.
Лигносульфонаты эффективны, дешевы и нетоксичны. Их применение позволяет улучшить свойства бурового раствора.
Пеногасители. Московская предпрофессиональная Олимпиада Школьников.
1. Вступление. Голосуй не сердцем- или проиграешь. Расчеты, риски, и комфортные условия.
Окончательный выбор кейса→
2. Здравствуйте, пеногасители. Доступ к иностранным образовательным ресурсам.
Библиотеки Москвы. Распределение работы над кейсом→
3. Основы нефтедобычи для чайников. Киберленинка в помощь. Блумберг против Роснедр.
Расчет объема раствора для всей России→
4. Пена и процессы ее образования. Состав бурового раствора и причины пенообразования в нем→
5. Компоненты бурового раствора→
6. Типы пеногасителей и их влияние на образование пены в буровых растворах.
Компоненты, входящие в состав силиконовых пеногасителей→
7. Требования к силиконовым пеногасителям в буровых растворах. Выбор наполнителей и эмульгаторов для пеногасителя→
8. Оптимальное соотношение компонентов для получения пеногасителя на основе полидиметилсилоксана.
Параметры процесса получения пеногасителя на основе полидиметилсилоксана→
9. Технологическая схема процесса получения пеногасителя на основе полидиметилсилоксана.
Рецептура пробных образцов пеногасителей для проведения исследования стабильности→
10. Физические условия работы буровых растворов. Химические условия работы буровых растворов.
Аксилсульфаты и Лигносульфанаты→
11. Не пригодилось для кейса. Справочная информация о пеногасителях из сети Интернет→
Другие статьи о моих школьных проектах→
Эта статья на Английском языке→