МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» М. А. Бабец Т. И. Саноцкая БУРОВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ Методическое пособие Минск БНТУ 2012 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» М. А. Бабец Т. И. Саноцкая БУРОВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ Методическое пособие Минск БНТУ 2012 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» М. А. Бабец Т. И. Саноцкая БУРОВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ Методическое пособие для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» специализации 1-51 02 01-04 «Буровые работы» Минск БНТУ 2012 2 УДК 622.244.44 (075.8) ББК 33.131я7 Б12 Р е ц е н з е н т ы : начальник отдела геотехнологий Республиканского унитарного предприятия «Белорусский научно-исследовательский геологоразведочный институт», канд. техн. наук В. П. Ильин; зам. начальника геологического отдела Республиканского унитарного предприятия «Белгеология» канд. геол.-минералог. наук Г. Л. Фурсиков Бабец, М. А. Буровые промывочные жидкости : методическое пособие для сту- дентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полез- ных ископаемых» специализации 1-51 02 01-04 «Буровые работы» / М. А. Бабец, Т. И. Саноцкая. – Минск : БНТУ, 2012. – 75 с. ISBN 978-985-525-912-2. Может использоваться для повышения квалификации рабочего персонала произ- водственных организаций, осуществляющих бурение скважин, служить практиче- ским пособием для технологов геологоразведочных организаций и частных буровых компаний. Материалы предоставлены В. С. Войтенко, А. А. Крицуком. УДК 622.244.44 (075.8) ББК 33.131я7 ISBN 978-985-525-912-2 © Бабец М. А., Саноцкая Т. И., 2012 © Белорусский национальный технический университет, 2012 Б12 3 Введение При бурении скважин для их промывки и продувки применяются жидкие и газообразные очистные агенты. Основным и наиболее распространенным типом очистного агента являются буровые про- мывочные жидкости (ПЖ). 1. ФУНКЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ При бурении скважин промывочные жидкости выполняют функции: а) Гидродинамические: - вынос продуктов разрушения горных пород из скважин и освобождение от них на дневной поверхности (термины «промы- вочная жидкость», «очистной агент» характеризуют функцию уда- ления шлама из скважины, как основную); - размыв горной породы на забое скважины, очистка долота; - привод забойных двигателей, ударных машин, эжекторных устройств в составе компоновки низа бурильной колонны. б) Гидростатические: - сохранение целостности стенок скважины, сложенных не- устойчивыми, трещиноватыми горными породами, за счет противо- давления на стенки скважины; - предотвращение проникновения в ствол скважины воды, нефти и газа из пластов, вскрываемых буровой скважиной; - удержание частиц шлама и утяжелителя во взвешенном состоя- нии при прекращении циркуляции в скважине; - снижение нагрузки на талевую систему. в) Коркообразование: - уменьшение сил трения бурового снаряда и обсадных труб о стенки скважины; - снижение проницаемости, повышение устойчивости стенок скважин за счет кольматации трещин и пор; - сохранение или усиление степени связности слабосцементиро- ванных горных пород. г) Физико-химические: - повышение буримости горной породы; 4 - поддержание устойчивости стенок скважины химическими ре- акциями; - снижение вибрации бурильной колонны; - предохранение бурильных, колонковых и обсадных труб и эле- ментов их соединения от коррозии и абразивного износа; - отвод тепла от породоразрушающего инструмента при его ра- боте на забое скважины. д) Прочие функции: обеспечение: изучения геологического разреза скважины при помощи геофизической аппаратуры (ГИС); - изучения шлама (выбуренных частиц горной породы) пласто- вых флюидов (жидкостей и газов) поступающих в ПЖ на забое и по стволу скважины; - теплового режима в многолетнемерзлых породах и льдах при их проходке. 2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ 2.1. Техническая вода Техническая вода (пресная, морская) применяется преимуще- ственно при бурении монолитных, плотных, устойчивых, неразмы- ваемых, слабогидратирующих, малорастворимых, слаботрещинова- тых горных пород в скважинах глубиной не более 3000 м. При бурении по мерзлым, льдистым породам с незначительной отрицательной температурой (до –2 оС) используют охлажденную воду (до 0 оС) при условии ее непрерывной циркуляции и слабой минерализации. Вода обладает низкой плотностью, малой вязко- стью, считается хорошим растворителем, понижает прочность раз- буриваемых пород, имеет высокую мгновенную и интегральную фильтрацию, достаточные охлаждающие и смазочные свойства. При промывке водой, по сравнению с ПЖ, содержащими твердую фазу, возрастают механическая скорость и проходка на коронку (долото). Применение воды наиболее целесообразно при алмазном бурении, при использовании гидромониторных долот на относи- тельно небольших глубинах бурения, при вскрытии водоносных горизонтов. Если вода доступна в неограниченном количестве, например, при бурении на акваториях, то возможно бурение как при 5 частичной, так и при полной потере циркуляции ПЖ (т.е. «на по- глощении»), при условии, чтобы это не оказало отрицательное вли- яние на химический состав и режим движения пластовых вод. Применение воды в качестве промывочной жидкости имеет не- достатки: - промывка водой вызывает ослабление относительно устойчи- вых стенок скважины, приводящее к осыпанию и обвалам горных пород и связанным с ними осложнениям в процессе бурения; - вода не способна удерживать шлам во взвешенном состоянии при остановке циркуляции ПЖ, что является причиной его осажде- ния на забой и прихватов инструмента в случае неоперативных дей- ствий бурового персонала по предупреждению осложнения; - при переходе с промывки водой на более плотную (глинистую) ПЖ рекомендуется, во избежание гидроразрывов проницаемых по- род и поглощений плотность глинистой ПЖ (глинистого раствора) увеличивать поэтапно: сначала на величину до 10 % от плотности воды, затем, после глинизации пор и трещин в горных породах, до- водить плотность ПЖ до заданной. Это трудоемкий процесс. Воду как промывочную жидкость не применяют при бурении глинистых сланцев, аргиллитов, алевролитов, солевых отложений и глин, многолетнемерзлых пород нескального типа, так как это мо- жет привести к их разупрочнению, потере устойчивости и возник- новению осложнений в виде сужений ствола, осыпей и обвалов сте- нок скважины. 2.2. Глинистые растворы Термин «глинистые растворы» широко применяется в бурении, однако он не совсем корректен с точки зрения физико-химии, так как глинистая ПЖ – это «дисперсная суспензия», а не раствор гли- ны в воде. а) Нормальные глинистые ПЖ. Их широко применяют при забу- ривании и бурении скважин в песчано-глинистых отложениях, из- вестняках, сланцах, гипсах, ангидритах, алевролитах, аргиллитах, конгломератах и других аналогичных слаботрещиноватых горных породах I–VII категории по буримости, т.е. в породах, теряющих устойчивость при насыщении водой или размываемых при ее цир- куляции. 6 Основные компоненты глинистых растворов : качественная мест- ная комовая глина или товарный (бентонитовый, каолинитовый, палыгорскитовый) глинопорошок (до 15–35 %), техническая вода (пресная или морская), химические реагенты. Глинистые растворы используют при бурении в условиях, не связанных с серьезными осложнениями в процессе бурения (интенсивные поглощения, осы- пи, обвалы, набухание пород, водо-, нефте-, газопроявления и т.п.). Глинистые ПЖ могут обладать следующими нормальными техно- логическими параметрами: - плотность ( ρ ) 1,10–1,25 г/см3; - условная вязкость (Т) 20–25 с; - содержание песка в растворе (П) не более 2 %; - водоотдача (В) 25–10 см3 за 30 мин.; - толщина глинистой коронки (К) не более 3 мм; - предельное статическое напряжение сдвига (СНС 1/10) ( 1θ ) 1–2 Па (при замере через 1 мин.) и ( 2θ ) 2–5 Па (через 10 мин.); - стабильность раствора не более 0,02 г/см3. б) Утяжеленные глинистые растворы. Их используют в разре- зах, представленных толщами слабоустойчивых, трещиноватых, раздробленных, перемятых, легко разрушающихся при обнажении горных пород, при высоких пластовых давлениях и возможных вы- бросах воды, нефти или газа из скважины. Основа этих растворов – качественный глинистый раствор с па- раметрами: Т = 25÷30 с,θ 1 = 2÷2,5 Па, В < 5÷10 см3 за 30 мин. Утяжеление глинистого раствора до плотности 1,3÷1,35 г/см3 достигается увеличением концентрации глинистой фазы. Дальней- шее утяжеление производят, добавляя инертные утяжелители: ба- рит, магнетит, гематит, колошниковую пыль и др. Показатели рас- твора могут изменяться в следующих пределах: ρ = 1,4÷2,2 г/см3, Т = 18÷60 с,θ 1 = 3,0÷7,5 Па, В = 3÷5 см3 за 30 мин, К = 0,5÷2 мм. в) Малоглинистые и полимерглинистые ПЖ. Эти ПЖ характе- ризуются малым содержанием глинистой твердой фазы, небольшой вязкостью, низкой плотностью и малым значением статического напряжения сдвига. Малоглинистые растворы готовят из качественной местной ко- мовой глины или бентонитового глинопорошка (до 4–8 %), техни- 7 ческой воды и химических реагентов. По сравнению с глинистыми ПЖ концентрация реагентов в этих ПЖ обычно выше. Их приме- няют при наличии частичных поглощений, возникновении призна- ков осложнений при бурении на воде и т.п. Полимерглинистые (полимербентонитовые) промывочные рас- творы рекомендуются при колонковом алмазном бурении. Поли- мербентонитовые промывочные жидкости с негидролизованным полиакриламидом и бентонитовым глинопорошком (качественной местной комовой глиной) целесообразно использовать при скорост- ном бурении в монолитных с незначительной трещиноватостью, устойчивых, не содержащих глин горных породах, полимербенто- нитовые промывочные растворы с гидролизованным полиакрила- мидом и бентонитовым глинопорошком (качественной местной ко- мовой глиной) применяют при бурении в трещиноватых, средне- и слабоустойчивых горных породах, включающих глиносодержащие разновидности, а также в зонах тектонических нарушений. Полимерглинистые (полимербентонитовые) растворы содержат: глину (бентонит) 2–5 %, полимер 0,1–0,5 % и химические реагенты, вводимые избирательно.Пример параметров полимербентонитовой ПЖ: ρ = 1,02÷1,05 г/см3, Т = 24÷28 с, В = 6÷8 см3 за 30 мин, К<0,5 мм. В качестве реагентов стабилизаторов применяются вещества: карбоксиметилцеллюлозные (КМЦ) разной степени полимеризации, реже крахмальные реагенты,и как было названо выше – полиакри- ламиды, гидролизованный полиакрилонитрил и др. г) Естественные (глинистые) растворы. Образуются при буре- нии глиносодержащих, аргиллит-алевролитовых пород за счет по- ступления в ПЖ тонкодисперсного шлама глин. Имеют по сравне- нию с «нормальными» глинистыми растворами повышенную плот- ность, водоотдачу, абразивность. Обработкой химическими реаген- тами и стабилизаторами, а также механической очисткой приво- дятся к параметрам «нормальных» и утяжеленных до плотности 1,3÷1,35 г/см3 глинистых растворов. Расход реагентов на стабили- зацию таких ПЖ выше, чем при приготовлении «нормальных» гли- нистых ПЖ из качественных глинопорошков. 8 2.3. Безглинистые ПЖ Промывочные жидкости, содержащие в качестве твердой фазы неглинистые вещества и материалы, наиболее применимы при вскрытии водо-, нефте-, газоносных горизонтов, где они обеспечи- вают восстановление проницаемости продуктивных пластов при освоении скважин. По составу твердой фазы ПЖ могут называться, например: а) меловые ПЖ (твердая фаза – мел); б) известковые, известково-битумные (известь, битум); в) гуматные. Для условий Беларуси наибольшее практическое значение име- ют гуматные промывочные жидкости, которые могут называться «органогенными ПЖ», «сапропелевыми ПЖ», «торфогуматными ПЖ», «торфосапропелевыми ПЖ» и т.п. Основным отличительным признаком этих ПЖ является наличие в них веществ (торф, бурый уголь, сапропель), поставщиков природного реагента-стабилизато- ра: гуминовых веществ (кислот), натриевые соли которых позволя- ют улучшать технологические параметры ПЖ. По сравнению с гли- нистыми ПЖ, органогенные (гуматные) жидкости обладают мень- шей плотностью и менее стойкой кольматирующей способностью по отношению к коллекторам воды и нефти. Гуматные реагенты: углещелочной реагент (УЩР), торфощелочной реагент (ТЩР) дав- но и успешно используются для стабилизации глинистых диспер- сий, т.е. для обработки глинистых ПЖ с целью улучшения их тех- нологических свойств (параметров). При наличии в достаточном количестве природного сырья: торфа и сапропеля (Беларусь, Запад- ная Сибирь и т.д.) в ряде случаев экономически целесообразным становится использование сапропелевых и торфо-сапропелевых щелочных водных дисперсий в качестве ПЖ. Их стабилизация до- стигается обычно щелочной активацией гуминовых кислот путем обработки дисперсии сухим едким натром NaOH в среднем до 0,4 % (концентрация щелочи может доводиться до 1,50÷1,77 % по весу от веса жидкости затворения -воды при использовании влажно- сухого сапропеля и кальцинированной соды Na2CO3 ,дающей также щелочную реакцию при растворении); соотношение щелочь-сапро- пелевая крошка находится в диапазоне около 1:15 в зависимости от содержания в сапропеле гуминовых кислот. Технологические пара- 9 метры ПЖ из качественного органического или смешанного типа сапропеля находятся в диапазоне: плотность – 1,01÷1,03 г/см3, условная вязкость – до 30 с, водоотдача – 6÷15 см3/30 мин, корка- пленка – 1,0 мм, статическое напряжение сдвига от 0/0 до 1,3/3,2 Па. Зачастую в РБ применяют ПЖ смешанного (переходного) типа от глинистых ПЖ к глино-сапропелевым, сапропелевым и наоборот, в зависимости от геолого-технический условий на объекте буровых работ или отдельной скважине. 2.4. Солестойкие ПЖ Солестойкие ПЖ применяют при разбуривании соленосных от- ложений или при чередовании пластов соли с пропластками терри- генных отложений. Эти растворы позволяют предотвратить (полно- стью или частично) образование значительных каверн, пластиче- ское течение солей, осыпи терригенных прослоев, осаждение соли в желобах, снижение выхода керна и др. а) Солестойкие глинистые растворы готовят на основе нор- мальных глинистых растворов, обработанных химическими реаген- тами. По степени минерализации глинистые растворы подразделя- ются на слабоминерализованные (1–3 % хлористого натрия), мине- рализованные (3–10 % хлористого натрия) и высокоминерализован- ные (> 10 % хлористого натрия). При содержании солей до 1–1,5 % глинистые растворы обраба- тывают любыми реагентами – понизителями водоотдачи и пониза- телями вязкости. При большей степени минерализации следует применять солестойкие стабилизаторы КМЦ-500, КМЦ-700, крах- мальные реагенты и др. Высокоминерализованные глинистые растворы необходимо подвергать комбинированной обработке: крахмальными реагентами и КМЦ. При полиминеральном насыщении ПЖ калийно-натриево- магниевыми солями содержание в ПЖ стабилизаторов может до- стигать 2 % и более. Плотность ПЖ 1,3 г/см3 и более. б) Высокоминерализованный безглинистый крахмальный рас- твор (ВМБКР) с целью предотвращения вспучивания стенок сква- жины и образования на них толстых рыхлых корок, кавернообразо- вания и растворения керна солей с параметрами: плотность в зави- 10 симости от минерализатора (поваренная соль, хлористый калий и магний) до 1,3 г/см3, условная вязкость около 18÷20 сек, водоотда- ча 10÷12 см3 за 30 мин, корка < 1 мм, СНС1/10 = 0. 2.5. Эмульсионные ПЖ ПЖ, содержащие кроме водной фазы обычно углеводородную жидкость (нефть, дизтопливо и т.п.). Как правило это структуриро- ванные (стабилизированные) глинистые ПЖ, содержащие эмульги- рованные в ней нефть или другие добавки. Реже применяют «ин- вертные» эмульсии – ПЖ, в которых дисперсионной средой являет- ся углеводородная жидкость, а дисперсной фазой – вода .Твердой дисперсной фазой в инвертных эмульсиях является гидрофобизиро- ванный глиноматериал,известь. Соответственно в физико-химии их называют эмульсиями первого и второго рода. 2.6. Аэрированные ПЖ ПЖ, которые аэрируют, в основном, для снижения их плотности в зонах поглощений. При бурении на нефть может осуществляться газирование ПЖ нейтральными невзрывоопасными газами: азот, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и т.д. 2.7. Солевые растворы Применяют при бурении в многолетнемерзлых породах, теря- ющих устойчивость при оттаивании, в отложениях солей и сильно заиленных глинах. Эти растворы представляют собой техническую воду с добавлением солей хлористого натрия, хлористого кальция и хлористого магния в концентрациях, подобранных в соответствии с температурой пород, слагающих стенки скважин или содержания в разрезе солей. В практике бурения скважин в северных широтах встречаются два основных типа мерзлых пород: мерзлые сухие породы, не со- держащие в свободном состоянии воды и льда, и льдистые мерзлые породы, содержащие в порах, трещинах и кавернах свободную воду или лед. Основное условие эффективного бурения скважин в таких условиях – использование промывочной жидкости, имеющей тем- 11 пературу замерзания, близкую к температуре мерзлых пород, но всегда на 2–3 0С выше. При температуре мерзлых пород до –2 0С температура замерзания закачиваемой в скважину жидкости должна находиться в пределах 0–2 0С, при температуре пород до –5 0С – в пределах от –0,5 до –1,5 0С и при температуре ниже –5 0С – в пре- делах от –2 до –2,5 0С. Порядок приготовления моносолевого раствора простой: в тех- ническую воду засыпают соль и перемешивают до полного раство- рения. При использовании полисолевых растворов технология их приготовления и применения усложняется. При бурении с промыв- кой водным растворами солей рекомендуется вводить в промывоч- ную жидкость специальные вещества – ингибиторы коррозии (дву- замещенный фосфат аммония, катапин КИ-1 и др.). Температура замерзания солевых растворов в зависимости от содержания хлористого натрия и хлористого кальция приведена в табл. 1. Основные параметры солевых растворов: ρ = 1,2÷1,3 г/см3; Т = 16÷17 с. Данными табл. 1 можно пользоваться для регулирования плот- ности солевых растворов и для предотвращения их замерзания в зимнее время в поверхностной циркуляционной системе на буро- вой. При этом необходимо знать, что товарный хлористый кальций поставляется в виде кристаллогидрата, т.е. водной соли, расход ко- торой для приготовления раствора заданной плотности будет значи- тельно выше чем «чистого» CaCl2, являющегося высокогигроско- пичным и, поэтому, плохотранспортабельным. Основной областью применения солевых растворов является подземный ремонт эксплуатационных нефтяных и газовых скважин, где они называются «жидкостями глушения» и служат для создания гидростатического противодавления на пласт на период подземного ремонта, т.е. для остановки работы скважины. Заключение по разделу 2. В лабораторной работе № 10 приве- ден перечень самых основных материалов и реагентов применяе- мых в практике бурения на территории РБ для приготовления ПЖ. Знание теоретического лекционного курса «Технология бурения скважин» по разделам «Очистные агенты для бурения скважин» и «Физико-химия и реология буровых промывочных жидкостей» поз- 12 волит Вам решать предлагаемые ниже учебные и, в дальнейшем, технологические прикладные задачи на инженерном уровне. Таблица 1 Температура замерзания растворов хлористого натрия и хлористого кальция Плотность, г/см3 (при 15 0С) Содержание хлористого натрия в г на 100 г Температура замерзания NaCl, 0С Содержание хлористого кальция в г на 100 г Темпера- тура замер- зания СaCl, 0С раствора воды раствора воды 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17 1,175 1,18 1,19 1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 1,25 1,26 1,27 1,28 1,285 1,5 2,9 4,3 5,6 7,0 8,3 9,6 11,0 12,2 13,6 14,9 16,2 17,5 18,8 20,0 21,2 22,4 23,1 - - - - - - - - - - - - 1,5 3,0 4,5 5,9 7,5 9,0 10,6 12,3 14,0 15,7 17,5 19,3 21,2 23,1 25,0 26,9 29,0 30,1 - - - - - - - - - - - - -0,9 -1,8 -2,6 -3,5 -4,4 -5,4 -6,4 -7,5 -8,6 -9,8 -11,0 -12,2 -13,6 -15,1 -16,0 -18,2 -20,0 -21,2 - - - - - - - - - - - - 1,3 2,5 3,6 4,8 5,9 7,1 8,3 9,4 10,5 11,5 12,6 13,7 14,7 15,8 16,8 17,8 18,9 - 19,9 20,9 21,9 22,8 23,8 24,7 25,7 26,6 27,5 28,4 29,4 29,9 1,3 2,6 3,7 5,0 6,3 7,6 9,0 10,4 11,7 13,0 14,4 15,9 17,3 18,8 20,2 21,7 23,3 - 24,9 26,5 28,0 29,6 31,2 32,9 34,6 36,2 37,9 39,7 41,6 42,7 -0,6 -1,2 -1,8 -2,4 -3,0 -3,7 -4,4 -5,2 -6,1 -7,1 -8,1 -9,1 -10,2 -11,4 -12,7 -14,2 -15,7 - -17,4 -19,2 -21,2 -23,3 -25,7 -28,3 -31,2 -34,6 -38,6 43,6 50,1 55,0 13 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Качество ПЖ должно проверяться перед ее использованием в технологическом процессе, в ходе бурения скважины в нормальных и осложненных условиях, при начавшихся осложнениях и выравни- вании показателей. Контролируемые параметры можно разделить на группы. К первой относятся параметры, контроль которых обязателен для всех скважин: плотность, вязкость, статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин., водоотдача, толщина фильтрационной корки, концентрация твердых примесей (песка), концентрация во- дородных ионов. Для контроля параметров первой группы предна- значен комплект лаборанта типа ЛГР-3 (лаборатория глинистых растворов). В нее также входят приборы для замера температуры, стабильности ПЖ, суточного отстоя. Статическое напряжение сдви- га замеряют отдельно поставляемым прибором типа СНС. Рис. 1. ЛГР-3 Ко второй группе относятся специальные параметры ПЖ, кон- троль которых необходим для скважин с осложненными геологиче- скими и гидрогеологическими условиями (поглощение промывоч- ной жидкости, осыпи и обвалы, нефтегазо- и водопроявления, вы- 14 сокая минерализация напорных пластовых вод и др.). Эта группа включает: показатели фильтрации, содержание газа, степень мине- рализации вод, содержание и состав твердой фазы, напряжение пробоя (для эмульсионных растворов). Для контроля параметров промывочных жидкостей первой и второй групп используется лаборатория, включающая комплект лаборанта КЛР-1 и другие приборы. КРЛ-1 комплектуется рычаж- ными весами-плотномером ВРП-1, вискозиметром ВБР-1, прибором газосодержания ПГР, отстойником ОМ-2, фильтром-прессом ФЛР-1, вискозиметром ротационным ВСН-3, секундомером, термометром, набором индикаторной бумаги «Рифан» и индикаторной бумаги рН, набором реагентов и посуды для химических анализов. К третьей группе относятся параметры, дающие дополнитель- ные сведения о ПЖ, контроль которых осуществляется технологи- ческой службой предприятия, включая службу промывочных жид- костей. Частота и объем контроля определяются в зависимости от особенностей протекания технологического процесса, качества ис- ходного сырья, других конкретных местных условий, которые вли- яют на показатели ПЖ. Пробу ПЖ рекомендуется отбирать как при выходе ее из сква- жины, так и при входе в нее. В первом случае она берется непосред- ственно у устья скважины, во втором – из приемной емкости «на всосе» бурового насоса. Обязательные параметры определяют на буровой сразу после отбора пробы. Плотность и условную вязкость измеряют по пробам, взятым в начале желобной системы. Для ха- рактеристики ПЖ, поступающей в скважину, замер этих показате- лей повторяют в конце поверхностной циркуляционной системы (ЦС). По пробам, отобранным в конце ЦС, определяют содержание песка для проверки состояния системы очистки ПЖ. Результаты определения технологических параметров ПЖ, как и сведения о текущей ситуации на скважине заносят в буровой жур- нал. Специальные параметры, определение которых регламентиро- вано ГТН (геолого-технический наряд) или производственными ин- струкциями, измеряют в стационарной или полевой передвижной контрольной лаборатории. Вместе с пробой ПЖ в лабораторию пе- редают следующие сведения: номер и глубину скважины, дату и время отбора пробы, а также результаты измерения тех параметров, которые были определены на буровой. Рекомендуемая периодич- 15 ность проведения контроля параметров ПЖ в различных условиях глубокого разведочного бурения скважин приведена в табл. 2. На глубоких скважинах замеры параметров осуществляют ла- боранты, входящие в состав буровых бригад, на колонковом разве- дочном бурении, при бурении на воду и т.п. основные замеры могут осуществляться членами буровой бригады (бурильщиком, помбу- ром) при наличии соответствующей квалификации. Таблица 2 Рекомендуемая периодичность замеров параметров промывочной жидкости Контролируемый Параметр Периодичность контроля, ч при неослож- ненных условиях бурения при осложнен- ных усло- виях буре- ния при начавшихся осложнениях или выравнивании параметров Плотность, г/см3 Вязкость, с Статическое напряжение сдвига, Па Водоотдача за 30 мин, см3 Толщина корки, мм Стабильность, г/см3 Суточный отстой, % Содержание песка, % Содержание газа, % Концентрация водород- ных ионов (рН) 4 4 8 8 8 8 8 4 8 8 1 1 4 4 4 4 4 1 4 4 0,5 0,5 1 1 - - - - 1,5–2 - 16 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЖ 4.1. Плотность ( ρ ) Для измерений плотности глинистых ПЖ и других жидких бу- ровых промывочных агентов могут быть использованы: рычажные весы-плотномер ВРП (рис. 2), ареометр АГ-3ПП (рис. 3), пикно- метр. Рис. 2. Рычажные весы-плотномер ВРП-1: 1 – мерный стакан; 2 – крышка; 3 – подушки; 4 и 5 – призмы; 6 – рычаг с нижней и верхней шкалой; 7 – подвижный груз; 8 – стойка 4.1.1. Измерение плотности рычажными весами Плотности с помощью рычажных весов измеряют в следующей последовательности. Устанавливают весы в строго горизонтальном положении, промывают мерный стакан 1 и крышку стакана водой, затем протирают насухо и готовят пробу раствора. Раствор залива- ют в мерный стакан 1 до верхней кромки и закрывают крышкой 2. Излишки раствора, вытекшие через специальное отверстие в крыш- ке, следует удалить сухой ветошью. Установить подвижную часть весов на стойке при помощи правой призмы. Передвигая влево или вправо подвижный груз 7, установить рычаг 6 в положение равно- весия и прочесть показания плотности раствора на верхней изме- рительной шкале. Если плотность раствора окажется большей, чем предел измерения по верхней шкале, то подвижную часть весов следует переставить на левую призму и вести измерения по нижней шкале. 17 Рис. 3. Ареометр АГ-3ПП: 1 – основная шкала; 2 – ведерко для воды; 3 – стержень; 4 – поплавок; 5 – мерный стакан; 6 – съемный грузик; 7 – крышка ведерка После замера снять крышку 2 и вылить раствор из стакана 1, промыть мерный стакан и крышку водой, протереть насухо. Рычажные весы – это основной тип прибора для измерения плотности ПЖ в западных буровых компаниях. 4.1.2. Измерение плотности ареометром (денсиметром) АГ-3ПП Предварительно точность показаний ареометра АГ-3ПП прове- ряют, определяя плотность пресной воды, т.е. той технической во- ды, которая будет заливаться в ведро-футляр для выполнения заме- ра. Допустимая погрешность измерений при этом не должна пре- вышать ± 0,01 г/см3. Последовательность замера плотности ПЖ следующая: заполняют до верха мерный стакан 5 испытуемым рас- 18 твором, затем присоединяют поплавок 4 и в строго вертикальном положении опускают ареометр в ведро-футляр 2 с чистой пресной водой. Отсчет плотности берут по левой шкале с малыми значения- ми плотности. Если раствор утяжеленный и ареометр полностью тонет в воде, то следует снять съемный груз 6, опустить ареометр в воду без груза и отсчет взять по шкале с большими значениями ρ . Крышкой ведерка удобно отбирать пробу ПЖ из желобов циркуля- ционной системы скважины на поверхности. 4.1.3. Измерение плотности пикнометром (мерным сосудом) Измерение плотности ПЖ пикнометром или другим мерным со- судом. Порядок работы следующий. Взвешивают сухой чистый пикнометр Р1, заполняют его глинистым или шламовым раствором до метки, закрывают пробкой, затем вытирают насухо и взвешива- ют Р2. Плотность раствора определяется из выражения Vп PP 12 −=ρ , (1) где Vп – объем пикнометра. Если объем пикнометра заранее неизвестен, то его рассчитыва- ют так. Взвешивают чистый пикнометр Р1, заполняют его дистил- лированной водой выше метки и выдерживают некоторое время в водяной бане при температуре 15 0С, а затем отбирают избыток во- ды с помощью фильтровальной бумаги, закрывают пикнометр пробкой, вытирают насухо и взвешивают ′2Р . Объем пикнометра определяется по формуле Vп = воды РР ρ 12 − ′ . (2) 4.2. Вязкость (Т) Этот параметр характеризует внутреннее трение между слоями жидкости. В практике буровых работ определяют обычно условную 19 вязкость глинистых ПЖ, измеряемую в секундах истечения раство- ра из стандартного полевого вискозиметра СПВ-5 (рис. 4). Рис. 4. Вискозиметр полевой СПВ-5: 1 – воронка; 2 – трубка; 3 – мерная кружка; 4 – сетка Порядок работы с СПВ-5 следующий. Промыть водой воронку 1 вискозиметра и мерную двустороннюю кружку 3, вместимостью 200 и 500 см3, закрыть отверстие трубки 2 пальцем правой руки и налить в воронку 1 через сетку 4 испытываемый раствор (700 см3) до краев. Поставить мерную кружку (500 см3) под трубку вискози- метра и, убрав палец, открыть отверстие трубки, одновременно включив левой рукой секундомер. В момент заполнения кружки раствором до краев одновременно остановить секундомер и закрыть отверстие трубки пальцем и прочесть показания секундомера. 20 Условную вязкость Т рассчитывают как среднее из трех после- довательных замеров, отличающихся между собой не более чем на 2 с. Правильность показаний прибора проверяют по условной вяз- кости воды, равной 15 с. (в западных буровых компаниях аналогич- ный прибор называется вискозиметр Марша). 4.3. Статическое напряжение сдвига (θ , СНС) Этот показатель характеризует прочность структуры бурового раствора, возникающую в покоящемся растворе, и интенсивность ее изменения во времени, измеряется в паскалях. Для измерения ста- тического напряжения сдвига могут быть использованы: ротацион- ный пластометр СНС-2 (рис. 5) и ротационный вискозиметр ВСН-3 (рис. 6). 4.3.1. Измерение СНС пластометром Статическое напряжение сдвига измеряют пластометром СНС-2 в следующем порядке. Прибор СНС-2 центрируют. Установить нуль шкалы против риски, нанесенной на стрелке указателя. Тща- тельно перемешать пробу ПЖ, зачерпнуть замешанный раствор меркой (120 мл). Погрузить подвесной цилиндр 8 во внешний ста- кан 9 и подвесить нить на пробку; установить нуль шкалы против риски указателя, в зазор между подвесным цилиндром и внешним стаканом залить ПЖ до верхней боковой кромки цилиндра и вклю- чить секундомер; через 60 с (1 мин) остановить секундомер и вклю- чить электродвигатель 13 прибора. После остановки вращения (до «срыва» и проворота в обратном направлении) подвесного цилин- дра 8 отсчитать угол закручивания нити 1ϕ . Установить шкалу в нулевое положение, оставить раствор в покое на 600 с (10 мин), за- тем снова включить прибор и замерить максимальный угол закру- чивания нити 10ϕ . Предельное статическое напряжение сдвига рас- считывается по формуле 21 Рис. 5. Ротационный пластометр СНС-2: 1 – стойка; 2 – пробка для установки нити; 3 – конусная втулка; 4 – упругая нить; 5 – защитная металлическая трубка; 6 – шкала с ценной деления 1 град; 7 – винт для крепления нити; 8 – измерительный цилиндр; 9 – внешний стакан; 10 – вращающаяся опора; 11 – общая плита; 12 – установочные винты; 13 – привод; 14 – указатель 10,110,1 ϕθ ⋅= А , (3) где 10,1θ – предельное статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин, Па; А – константа нити СНС-2 (указывается в паспорте прибора); 10,1ϕ – углы закручивания, измеренные после 1 и 10 мин покоя, градус. 22 4.3.2. Измерение СНС ротационным вискозиметром Рис. 6. Ротационный вискозиметр ВСН-3 1 – наружный вращающийся цилиндр; 2 – внутренний вращающийся цилиндр; 3 – стакан; 4 – шкала с вертикальной риской смотрового окна; 5 – винт-головка; 6 – выключатель; 7 – переключатель; 8 – подъемный столик; 9 – штуцер Измерительный стакан прибора заполнить ПЖ, предварительно очищенной от шлама, и поставить на столик 8. Ввести в ПЖ цилин- дры 1, 2. Включить тумблер «сеть», перемешать исследуемую ПЖ при 600 об/мин в течение 60 с (1 мин). Выключить тумблер «сеть», установить ручку переключения частоты вращения в положение «0,2». Раствор оставить в покое на 1 мин, включить тумблер «сеть», отсчитать по шкале показания угла поворота измерительного эле- мента ϕ в момент максимальных значений, предшествующих раз- рушению структуры раствора. Аналогичный замер 10ϕ сделать по- сле 10 мин покоя раствора (предварительно повторив размешивание раствора в течение 1 мин при 600 об/мин). Предельное статическое напряжение сдвига вычисляют по формуле 10,110,1 ϕθ ⋅= k , (4) 23 где 10,1θ – предельное статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин, Па; k – постоянная стальной нити, соответствующая углу закручива- ния пружины динамометра на 10 (указывается в паспорте прибора); 10,1ϕ – углы поворота измерительного элемента, градус. За величину предельного статического напряжения сдвига при- нимают среднее значение трех измерений, отличающихся друг от друга не более чем на 10 %. Ротационные вискозиметры широко применяют в западных бу- ровых компаниях [2]. 4.4. Водоотдача (В) Этот показатель косвенно характеризует способность бурового раствора отфильтровываться через стенки ствола скважины. Этот параметр измеряется количеством миллилитров фильтрата, выде- ляющегося из ПЖ за 30 мин через фильтр прибора под действием избыточного давления. Для измерения показателя фильтрации (во- доотдачи) могут быть использованы: прибор ВМ-6 и фильтр-пресс ФЛР-1. 4.4.1. Измерение водоотдачи прибором ВМ-6 Прибор ВМ-6 (рис. 7) градуирован и показывает водоотдачу, приведенную к площади фильтра; предел измерения 40 мл; откло- нения от нулевого положения допустимы не более чем на ± 0,5 де- ления. Измерение водоотдачи прибором ВМ-6 производят следую- щим образом. Между фильтрационным стаканом 7 и поддоном 5 прокладывают решетку 6, на которую кладут смоченный в воде кружок фильтрационной бумаги, затем закрывают клапан 4, при- жимая его к решетке 6 с помощью винта 3. Через горловину в фильтрационный стакан 7 заливают 120 см3 испытуемой ПЖ. По- верх ПЖ в цилиндр 9 наливают машинное масло и опускают в него плунжер 11. Приоткрывая игольчатый вентиль 8, сливают избыток масла в тарелку до тех пор, пока нулевое деление на шкале не сов- падет с меткой на цилиндре 9. Далее открывают клапан 4 и вклю- чают секундомер или замеряют время по часам. Плунжер 11 с гру- 24 зом 10 через масло в цилиндре 9 своим весом давит на ПЖ в ста- кане 7, создавая давление 0,1 МПа, под действием которого через фильтрационную бумагу и постепенно образующуюся на ней филь- трационную корку из ПЖ просачивается фильтрат, стекающий через отверстия в поддоне 5 в установленную под прибором металличе- скую чашку 1. Через 30 мин снимают отсчет по шкале корпуса 10. Фильтрат используют для замера рН ПЖ. 4.4.2. Измерение водоотдачи фильтр-прессом Измерение водоотдачи фильтр-прессом ФЛР-1 (рис. 8) осу- ществляется следующим образом. Снять стакан 4, вывернуть крыш- ку, промыть их водой (если имеются загрязнения) и высушить. Фильтровальную бумагу смочить водой, избыток воды удалить су- хой фильтровальной бумагой. Отвернуть полностью винт редукто- ра, перепускной клапан 5 завернуть до упора. Залить в стакан 4 ПЖ, установить уплотняющее кольцо, на него наложить фильтроваль- ную бумагу, сетку, закрыть стакан 4 крышкой и установить его в рабочее положение поворотом на бобышке. Под стакан 4 подста- вить измерительный цилиндр 2 на 10 и 50 мл в зависимости от предполагаемой интенсивности фильтрации, с помощью которого будет замерено количество фильтрата Qф поступающего через от- верстие в крышке 3. Отвернуть вентиль баллона с газом; поворотом регулировочного винта редуктора 10 по часовой стрелке установить давление на выходе редуктора 0,7 МПа. Отвернуть винт перепуск- ного клапана 5 на 3,5 оборота и одновременно включить секундо- мер; через 30 мин завернуть винт клапана до упора и одновременно выключить секундомер; закрыть вентиль баллона, снять стакан, вы- вернуть крышку, убрать уплотнительное кольцо, вылить раствор. Стакан, крышку и кольцо промыть. 25 Рис. 7. Прибор ВМ-6: 1 – чашка для фильтрата; 2 – кронштейн-опора; 3 – винт; 4 – клапан; 5 – поддон; 6 – решетка; 7 – фильтрационный стакан; 8 – игла-вентиль; 9 – цилиндр; 10 – груз-шкала; 11 – плунжер 26 Рис. 8. Прибор ФЛР-1: 1 – баллон; 2 – измерительный цилиндр; 3 – крышка с фильтром; 4 – стакан; 5 – перепускной клапан; 6 – вентиль; 7 – металлорукав; 8, 9 – манометры низкого и высокого давления; 10 – редуктор Вычислить водоотдачу по формуле В = 2 . Qф , (5) где В – водоотдача при данных стандартных условиях фильтра- ции(перепад давления, площадь поверхности фильтрации); 2 – отношение площади стандартного фильтра диаметром 75 мм к площади фильтрации фильтр-пресса; Qф – количество фильтрата, полученного на фильтр-прессе, мл. 27 Фильтр-прессы различных конструкций широко применяются в транснациональных фирмах, специализирующихся в области буре- ния [2]. Для их использования, как следует из изложенного, необхо- димо наличие источника сжатого газа (углекислого, азота, воздуха). 4.5. Толщина фильтрационной (глинистой) корки (К) Этот показатель косвенно характеризует способность бурового раствора образовывать временную крепь на стенках скважины, за- висит от водоотдачи и прямо пропорционален ей. Определяют тол- щину корки непосредственно на фильтровальной бумаге стальной линейкой после замера водоотдачи. Для этого разложенный на сто- ле кружок фильтровальной бумаги с образовавшейся коркой проты- кают вертикально поставленной тонкой стальной линейкой и по ее миллиметровым делениям читают толщину корки. Нормальной считается фильтрационная корка толщиной не более 3 мм. Более точно этот параметр определяется специальными приборами («игла Вика» и т.п.). 4.6. Коэффициент трения глинистой корки (КТК) Этот параметр еще называют «липкость глинистой корки». Его, при наличии лабораторных чашечных весов, можно приближенно оценивать по способу Линевского (рис. 9). Порядок замера. Установить весы 5 и столик 1 в горизонтальное положение с помощью уравнительных винтов. Фильтр с глинистой коркой после измерения водоотдачи положить на стеклянную пла- стинку фильтром вверх, затем, осторожно сняв его, корку накрыть другой стеклянной пластинкой, перевернуть и снять первую пла- стинку. Пластинку 2 с коркой положить на столик и сверху на корку поместить трубку 3. Нитку 4, привязанную к трубке, прикрепить к стрелке уравновешенных весов. Через воронку 6 вискозиметра ВП-5 на чашку весов понемногу насыпать песок до тех пор, пока трубка не сдвинется с места. Затем определить массу песка, насыпанного на чашку весов М1 и сухой трубки М2. Коэффициент липкости вы- числить по формуле 28 2 1 М М k л = . (6) Рис. 9. Прибор Линевского: 1 – столик; 2 –пластинка; 3 – трубка; 4 – нитка; 5 – весы; 6 – воронка вискозиметра СПВ-5 Величина kл предпочтительна не более 0,25, так как в противном случае затрудняются спуско-подъемные операции и может про- изойти прихват бурового инструмента, в особенности в наклонных скважинах после длительного простоя. Существуют приборы для замера КТК по принципу соскальзы- вания металлического груза (бруска) с глинистой корки по мере увеличения наклона плоскости, на которую помещена пластинка (фильтр) с глинистой коркой. КТК в этих приборах определяется углом наклона плоскости скольжения в момент начала движения (соскальзывания) груза. Также существуют приборы для замера липкости глинистой кор- ки в жидкости, в этом случае фильтр с коркой помещают на дно ци- линдрического сосуда. На корку устанавливают другой пустотелый цилиндр диаметром менее диаметра корки (из прибора ВМ-6) с плоским дном. На внешнем цилиндре имеется смотровое стекло с делениями. При наливе в него жидкости (воды) фиксируется ее 29 уровень в момент отрыва внутреннего цилиндра от глинистой корки и его всплытия за счет архимедовой силы. В данном случае замеря- емый параметр в большей степени соответствует термину «лип- кость» или «адгезия» глинистой корки к материалу цилиндра. В глу- боком бурении этот параметр замеряют на более сложных приборах с элементами имитации (моделирования) скважинных условий. При геологоразведочном колонковом бурении зачастую КТК характери- зуют тактильными («на ощупь») параметрами, например «корка тон- кая, плотная скользкая», «рыхлая, легко удаляемая» и т.п. 4.7. Стабильность ПЖ Этот показатель характеризует динамику и степень распределе- ния глинистых и других твердых частиц в ПЖ (суспензии), находя- щейся в состоянии покоя; измеряется в граммах на кубический сан- тиметр. Для определения стабильности используется цилиндр ЦС-2 (рис. 10). Рис. 10. Цилиндр стабильности ЦС-2: 1 – пробка резиновая; 2 – ручка 30 Порядок работы следующий. Влить пробу ПЖ в цилиндр до кра- ев, предварительно перемешав ее. Отметить по часам время и оста- вить ее в покое. Через 24 ч. открыть пробку 1, слить верхнюю часть пробы ПЖ вместе с отстоявшейся водой в кружку (обычно исполь- зуют кружку от СПВ-5); тщательно перемешать слитый раствор и определить его плотность 1ρ ареометром или другим прибором. За- крыть отвод пробкой, тщательно перемешать оставшуюся в цилиндре нижнюю половину раствора и определить его плотность 2ρ . Вы- мыть цилиндр и вытереть насухо. Показатель стабильности промы- вочного раствора определяется по формуле 12 ρρ −=С . (7) 4.8. Суточный отстой (О) Этот параметр также характеризует стабильность промывочной жидкости, т.е. способность в течение длительного времени не рас- слаиваться на жидкую и твердую фазы, и измеряется в процентах. Для измерения суточного отстоя применяют: стеклянный мерный цилиндр объемом 100 см3 с ценой деления 1 см3 (рис. 11). Рис. 11. Мерный цилиндр объемом 100 см3 с ценой деления 1 см3 Порядок работы следующий. Тщательно перемешать пробу ПЖ, залить в цилиндр до 100-го деления по шкале. Поставить цилиндр с раствором в спокойное место, отметить время и оставить на 24 ч. 31 После 24 ч. отстоя отметить на шкале цилиндра положение уровня раздела ПЖ и отстоявшейся воды (Vв). Цилиндр вымыть и вытереть насухо. Суточный отстой промывочного раствора (%) вычисляется по формуле О = 100 – Vв , (8) где 100 – объем мерного цилиндра, см3; Vв – объем отстоявшейся воды, см 3. На практике за величину отстоя (О) часто берут само значение Vв , т.е. объем отстоявшейся воды. 4.9. Содержание песка (П) В глинистой ПЖ этот параметр характеризует степень загрязне- ния ПЖ абразивной твердой фазой и измеряется в процентах. Со- держание песка в ПЖ определяют прибором ОМ-2 (рис. 12), состо- ящем из отстойника и мерного сосуда. Порядок работы следующий. Промыть и протереть отстойник, снять крышку 1, отмерить крышкой 50 мл раствора и влить его в отстойник через горлышко. Крышкой зачерпнуть воду, растворить в воде оставшийся на внутренних стенках крышки раствор ПЖ и вы- лить его в отстойник. Держа отстойник вертикально с помощью крышки налить его водой до уровня отверстия на боковой поверх- ности отстойника. При переливе воды следует слить излишек через отверстие. Плотно закрыть отстойник крышкой и повернуть его в горизонтальное положение боковым отверстием вверх. Прижав крышку и закрыв отверстие пальцем, интенсивно взболтать содер- жимое отстойника. Повернуть отстойник в вертикальное положе- ние, выдержать одну минуту и снять показание по шкале пробирки, соответствующее уровню осевшего песка. Снятая и умноженная на два величина будет показателем содержания песка в ПЖ, выражен- ная в процентах. Затем следует вылить из отстойника содержимое, промыть его водой и вытереть насухо. 32 Рис. 12. Общий вид отстойника ОМ-2: 1 – крышка; 2 – сосуд; 3 – прокладка; 4 – пробирка; 5 – основание; 6 – опора 4.10. Содержание газа (Г) Для измерения содержания газа в ПЖ могут быть использованы специальные приборы (ВМ-6М, ВГ-1М), а также метод разбавле- ния. В первом случае содержание газа определяют по оседанию 33 плунжера под действием дополнительного груза до начала филь- трации (ВМ-6М) и по шкале, имеющейся на приборе (ВГ-1М),при создании давления на ПЖ с помощью винтовой пары. Т.е. по степе- ни уменьшения фиксированного объема ПЖ при сжатии имеющей- ся в ней газовой фазы. Во втором случае измерение производят с помощью простейшей посуды, поступая следующим образом: В мерный цилиндр (250 мл) с притертой пробкой наливают 50 мл ПЖ, отмеренного мензуркой. Другим мерным цилиндром (200 мл) отме- ряют 200 мл воды и выливают в цилиндр с ПЖ предварительно омыв этой водой мензурку, которой отмерялась проба ПЖ. Цилиндр с разбавленной ПЖ плотно закрывают притертой проб- кой, сильно взбалтывают в течение 1 мин и оставляют в покое на 20–30 мин. После опадания пены отмечают объем жидкости в ци- линдре Vж. Объем газовой фазы (в %) рассчитывают по формуле Гф = 2 (250 – Vж) , (9) где 2 – множитель для получения результата, %; 250 – суммарный объем промывочного раствора с газом и водой, мл. Основанием для систематического (постоянного) определения со- держания газа в ПЖ на буровой является снижение плотности ( ρ ) ПЖ на выходе из скважины (на желобе) и некоторое ее увеличение после отстаивания в емкостях циркуляционной системы скважины (пробы ПЖ из емкости ) с учетом снижения параметра П в резуль- тате выпадения шлама из ПЖ. 4.11. Концентрация водородных ионов (рН) Концентрация водородных ионов (рН) – показатель характера и интенсивности физико-химических процессов в буровом растворе. Для чистой воды при 22 0С рН = 7. При рН>7 среда имеет щелочной характер, при рН<7 – кислотный. Для каждой глины существует определенная область значений рН, в которой суспензии этой глины более устойчивы; за пределами этой области наблюдаются коагуляции и разделение суспензии на глину и воду (табл. 3.) 34 Таблица 3 Значения рН для глинистых суспензий Характеристика суспензий Вид глины Величина рН Натуральные глинистые раство- ры (без химической обработки) на пресной воде Область устойчивого состояния глинистых растворов при обра- ботке щелочными электролита- ми (без добавления защитных коллоидов) Бентонитовые Среднего качества Бентонитовые Среднего качества 7,0-8,0 6,0-7,5 7,0-9,0 7,0-11,0 Для определения концентрации водородных ионов может быть использована индикаторная бумага или лабораторный рН-метр – милливольтметр рН-121. На буровых вышках концентрацию водо- родных ионов определяют следующим образом. Берут индикатор- ную бумагу и погружают ее в испытываемую жидкость так, чтобы все цветные полоски были одинаково смочены раствором. Затем вынимают бумагу и немедленно сравнивают цвет индикатора с цветной шкалой на бумаге, имеющей цифровые обозначения рН. В лабораторных условиях водородный показатель определяют в соответствии с инструкцией, прилагаемой к рН-метру. Для изме- рения рН испытуемый раствор наливают в специальный стакан и погружают в него электроды. Измеряют рН в обязательном порядке при применении промывочных растворов, обработанных химреа- гентами и содержащими дисперсную фазу (глина, мел, утяжелители и т.д.). 35 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ПРИГОТОВЛЕНИЕ ГЛИНИСТОЙ БУРОВОЙ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ (ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА) Проектными документами (технический проект на бурение сква- жины, геолого-технический наряд и др.) устанавливаются, исходя из условий бурения скважины, технологические параметры про- мывочной жидкости (ПЖ) или, как ее часто называют, «глинист ого раствора» (ГР). Как правило, приготовление ГР осуществляют ис- ходя из необходимости достижения проектной плотности (удельно- го веса) и условной вязкости ГР. Порядок выполнения работы 1. Рассчитать потребное количество глины на приготовление ГР заданной плотности. Необходимое количество глины на приго- товление определенного объема ГР рассчитывается следующим образом. а) Определить потребное количество глины по формуле k v G вгл врглp ⋅ − −⋅ = γγ γγγ )( , где глγ – удельный вес глины; рγ – потребный удельный вес глинистого раствора; вγ – удельный вес воды; vp – потребный объем глинистого раствора в литрах; k – коэффициент, учитывающий влажность глины. Пример. Задано: vp = 3 л; глγ = 2,8 кг/дм 3; рγ = 1,2 кг/дм 3; k = 1,1. Определяем: 023,11,1 0,18,2 )0,12,1(8,23 =⋅ − −⋅⋅ =G кг. 36 б) Определить потребное количество воды по формуле гл гл рв G vv γ −= . В этом примере 635,2 8,2 023,1 0,3 =−=вv л. в) Соответственно на приготовление 1 литра ГР потребуется: 0,341 л глины и 0,878 л воды. Объем ГР от 1 до 3 л готовится как правило для лабораторного (в том числе полевого, непосредственно на буровой) входного контроля качества используемого глино- материала. Контроль обязателен при использовании для приготов- ления ПЖ нетоварных глинопорошков (тонкодисперсного порош- кового глиноматериала, приготовленного и модифицированного в заводских условиях) и местных комовых глиноматериалов достав- ляемых на объект бурения непосредственно из глинокарьеров. По результатам лабораторного контроля необходимое удельное количество (вес) глины уточняется и соотношение «глина - вода затворения» пересчитывается на объем смесительного устройства (глиномешалки) входящей в состав конкретной буровой установки. Пример. Буровая установка укомплектована глиномешалкой объемом 1,5 м3. Для приготовления 1,5 м3 ГР надо глины: 467,0 0,18,2 )0,12,1(8,25,1 = − −⋅⋅ =глG т и воды для затворения: 33,1167,05,1 8,2 467,0 5,1 =−=−=вv м 3. Если по результатам лабораторного теста оказалось, например, что проба ГР объемом 1 л при вводе в 0,878 л воды 0,341 кг глины недостаточно плотная и вязкая и для достижения требуемой плот- ности и вязкости пришлось ввести 0,4 кг глины (часть твердой пес- чаной фракции из комовой глины выпала в осадок и т.п.) пересчет 37 потребного объема глины на приготовление ГР объемом 1,5 м3 можно определить из выражения: 606 878 1330400 = ⋅ =глG кг. Конечный объем ГР в глиномешалке при этом составит 15464,2161330 8,2 606 1330 =+=+=грv л или 1,546 м 3. Из этого объема около 46 литров составит твердая песчаная фаза выпадающая в осадок в количестве 067,0 878,0 )341,04,0( = − кг/дм3; 024,0 8,2 067,0 = дм3/дм3 на каждый литр приготовленного ГР (всего 360 л). При перемешивании глины с водой удельный вес ГР достигнет 1,25 г/см3 и затем по мере выпадения песчаного шлама уменьшится до 1,20 г/см3. Для предотвращения перелива ГР из глиномешалки количество (объем) воды затворения уменьшают на величину объе- ма образующегося песчаного шлама. 2. Порядок приготовления пробы ГР. Подсчитанное количество глины отвесить на весах и предва- рительно измельчить (если глина сухая). Залить в лабораторную глиномешалку определенное расчетом количество воды. Пустить в ход глиномешалку и постепенно засыпать в нее глину в расчетном количестве. По окончании загрузки включить таймер. Перемешива- ние воды и глины производить не менее 30 минут (в зависимости от влажности глины). После приготовления раствора определить его вязкость при помощи вискозиметра СПВ-5 (см. лаб. работу № 2) и сопоставить с заданной величиной. В случае необходимости про- извести уменьшение вязкости и плотности до заданной величины путем добавления к раствору воды. 38 В течение суток после замешивания в зависимости от качества глины может происходить осаждение мехпримесей и ее гидратация с увеличением вязкости ГР. Поэтому технологические параметры ГР замеряются сразу после приготовления и через 8-24 часа после него до их стабилизации. 3. Приготовление пробы ГР по технологии предварительной гидратации: На практике такая технология применяется в случае необходимости повышения структурных характеристик ГР (вяз- кости, СНС) в процессе бурения вводом глиноматериала в циркуля- ционную систему скважины. Она заключается в предварительном приготовлении глинистой пасты путем «замачивания» и перемешивания глиноматериала с минимальными по объему добавками воды для достижения глино- материалом пастообразной консистенции. После выдержки «пасты» в течение около суток для полной гидратации (наблюдается загу- щение пасты) ее разбавляют водой до требуемой плотности и условной вязкости ГР. На буровой это осуществляют в специальных устройствах (глиномешалки, фрезерно-струйные мельницы и т.д.). 4. По результатам лабораторных тестов уточняется рабочий ре- гламент приготовления ГР и рассчитывается потребность глино- материала, жидкости затворения, и, при необходимости, реагентов (сода, стабилизаторы, ингибиторы и т.д.). Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОЙ ВЯЗКОСТИ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА Ввиду сложности замера истинной структурной вязкости глини- стого раствора на буровых и в лабораториях производится опреде- ление условной или кажущейся вязкости глинистого раствора с по- мощью стандартного полевого вискозиметра СПВ-5. За величину условной вязкости (обозначается буквой Т, с) принимается время истечения 500 см3 испытуемого раствора из вискозиметра СПВ-5. 39 Рис. 13. СПВ-5 Проведение работы Перед началом работы необходимо удостовериться в чистоте внутренней поверхности конуса и трубки вискозиметра, а также мерной кружки (см. раздел 4.2) В случае наличия загрязнений промыть вискозиметр и кружку. Проверка вискозиметра Проверку вискозиметра в лабораториях следует производить пе- ред началом каждого измерения, не реже одного раза в месяц. При проверке определяется «водяное число» вискозиметра: вре- мя истечения из вискозиметра 500 см3 воды. Последовательность работ при проверке вискозиметра следующая. 1. Отмерить кружкой 700 (500+200) см3 воды и залить ее в вис- козиметр, предварительно зажав конец трубки пальцем. 2. Поставить под вискозиметр верхнее (большее) отделение мер- ной кружки. 3. Освободить конец трубки, убрав палец, одновременно вклю- чить секундомер. 4. В момент заполнения кружки остановить секундомер. 5. Замерить время истечения воды – «водяное число». 40 Водяное число стандартного вискозиметра СПВ-5 должно со- ставлять 15± 0,2 с. В случае, если водяное число выходит из ука- занных пределов, вискозиметр нужно заменить. Измерение вязкости глинистого раствора 1. Отмерить кружкой 700 см3 испытуемого раствора и залить его в вискозиметр. Раствор необходимо процедить через сетку для очистки его от глины и крупных частиц песка. 2. Подставить под вискозиметр верхнее (большее) отделение кружки. 3. Открыть нижний конец трубки вискозиметра, одновременно включив секундомер. 4. В момент заполнения кружки остановить секундомер и за- крыть отверстие трубки вискозиметра во избежание разлива рас- твора. 5. После окончания работы вискозиметр, мерную кружку и сетку промыть и протереть насухо. Примечание. Выпускаются модификации СПВ-5 объемом 700 см3, порядок работы на них тот же. ПЖ наливают мерной кружкой через сетку в воронку (конус) вискозиметра до краев воронки. Упрощает- ся сам процесс замера. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВЕСА (ПЛОТНОСТИ) ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА В практике бурения принято определять удельный вес (плот- ность) глинистого раствора как вес 1 см3 раствора в граммах. Обо- значается удельный вес буквой γ , размерность его г/см3 (плотность – буквой ρ ). Удельный вес глинистого раствора может быть определен раз- личными способами. Описание их приводится ниже. 41 А. Определение плотности глинистого раствора с помощью ареометра АГ-2 (АГ-1) Ареометры АГ-1 и АГ-2 предназначены для определения плот- ности глинистых и цементных растворов (см. п. 4.1). Рис. 14. АГ-1 Прибор имеет два предела измерений (две шкалы). Ареометр АГ-1 имеет шкалы: 1-я шкала от 1,00 до 1,80 г/см3; 2-я шкала от 1,70 до 2,50 г/см3. Ареометр АГ-2 устроен аналогично, но имеет другие пределы измерений: 1-я шкала от 0,90 до 1,70 г/см3; 2-я шкала от 1,60 до 2,40 г/см3. По первой шкале ареометр работает при навернутом грузе, по второй – при снятом грузе. Цена одного деления на шкале ареометра 0,02 г/см3. Погреш- ность измерения ареометра не свыше 0,01 г/см3. 42 Порядок выполнения работы Подготовка прибора. 1. Открыть крышку ведра и извлечь ареометр. 2. Налить в ведро воду. 3. Поворотом поплавка относительно стакана отделить их друг от друга. 4. Проверить чистоту стакана и поплавка и при необходимости промыть их водой. Проверка прибора. Проверка прибора в лабораторных условиях должна произво- диться перед каждым циклом измерений, на буровых – не реже од- ного раза в месяц. Последовательность работ при проверке ареометра следующая: 1. Поставить стакан в вертикальное положение и налить в него воду до уровня отверстий стакана. 2. Соединить поплавок со стаканом. 3. Погрузить ареометр в ведро с водой. При пресной воде арео- метр должен погрузиться под уровень воды в ведре до деления на шкале, обозначенного цифрами 1,00 с точностью ± 0,005 г/см3. При плотности воды в ведре и а ареометре, большем 1,000 г/см3, поплавок погрузится меньше – ниже деления, обозначенного циф- рами 1,00. На ряде модификаций ареометров имеется дополни- тельная шкала поправок, по ней и отсчитывается значение по- правки, например, в данном случае поправка будет иметь значение плюс (+). При отсутствии шкалы поправок к результатам замера плотности глинистого раствора следует прибавлять поправку, определяемую из показания ареометра, заполненного водой, в которую он погру- жается. Измерение плотности глинистого раствора 1. Налить в вымытую крышку ведра пробу раствора и переме- шать ее. 43 2. Удерживая стакан ареометра вертикально, налить в него ис- пытуемый раствор до отверстий стакана. 3. Соединить стакан с поплавком, при этом из стакана выдавли- вается избыток раствора и таким образом отмеряется необходимый объем испытуемого раствора. 4. Смыть водой выдавленный раствор, придерживая ареометр в вертикальном положении, чтобы испытуемый раствор не вытекал через неплотности затвора (байонетного типа или резьбы, в зависи- мости от модификации прибора). 5. Погрузить ареометр в ведро с чистой водой. 6. Прочесть показание на шкале ареометра на уровне воды в вед- ре. При навернутом грузе отсчет брать по левой шкале. Если арео- метр погрузится в воду выше верхнего деления, то следует его вы- нуть, отвернуть груз, вновь погрузить в воду и взять отсчет по пра- вой шкале. 7. При использовании ареометра с соленой водой для замеров (например, на морских буровых платформах) внесение поправки обязательно (см. проверка прибора). 8. Разобрать ареометр, промыть его водой, вылить воду из ведра, вытереть насухо ареометр, ведро и крышку ведра. Б. Определение удельного веса глинистого раствора с помощью весов ВРП Весы-плотномер представляют собой весы рычажного типа. Они предназначены для определения удельного веса (плотности) глини- стого раствора (см. п. 4.1.1). Рис. 15. ВРП-1 44 Порядок выполнения работы Подготовка прибора. 1. Снять с подставки рычаг и поставить его на стол. 2. Установить уровень на плиту и, пользуясь регулировочными винтами, добиться установки стойки весов в горизонтальное поло- жение. 3. Открыть крышку стакана, проверить чистоту стакана и рычага. В случае надобности промыть их водой. Проверка прибора. Перед началом работы необходимо произвести проверку весов. 1. Поставить рычаг со стаканом на стол и наполнить стакан во- дой до верхнего края. 2. Плотно закрыть стакан крышкой. При этом из него через от- верстие в крышке выдавится избыток воды и таким образом отме- рится необходимый объем. 3. Вытереть насухо верхнюю поверхность крышки, удалив с нее избыточную воду. 4. Поставить рычаг со стаканом на подставку. 5. Переместить передвижной груз по шкале так, чтобы риска, имеющаяся посредине его, находилась против деления 1,00 на шкале. При пресной воде рычаг весов должен установиться таким обра- зом, чтобы верхняя грань указателя рычага находилась на одной линии с верхней гранью указателя подставки. В случае, если указа- тели не совпадают, необходимо отвернуть крышку противовеса и, изменяя количество свинца, находящегося внутри его, добиться, чтобы рычаг устанавливался горизонтально, т.е. чтобы риски сов- падали. Для работы с противовесом рычаг весов вместе с противо- весом и стаканом лучше снимать с подставки. Определение удельного веса глинистого раствора 1. Тщательно перемешать пробу раствора. 2. Поставить рычаг со стаканом на стол и, открыв крышку стака- на, заполнить его испытуемым раствором до верхнего края. 3. Плотно закрыть крышку, выдавив избыточный раствор. 4. Удалить выдавленный раствор с верхней грани крышки. 5. Поставить рычаг со стаканом на подставку. 45 6. Перемещая передвижной груз по шкале, добиться установки рычага в горизонтальное положение, т.е. совпадения верхних гра- ней указателей рычага и подставки. 7. Прочесть показание на шкале против риски, имеющейся на передвижном грузе. 8. Снять рычаг с подставки, открыть крышку стакана, вылить раствор, промыть и вытереть насухо все части весов. В. Определение удельного веса глинистого раствора с помощью пикнометра Этот метод (см. п. 4.1.3) позволяет произвести определение удель- ного веса жидкости при небольшом количестве ее (25–50 см3). При наличии чувствительный аналитических весов и при внесении по- правок на потерю веса в воздухе, изменение плотности воздуха, температуры, влажности точность измерения может быть доведена до 0,00001 г/см3. Однако, при измерении удельного веса глинистого раствора до- статочна, даже в глубоком бурении, точность до третьего знака по- сле запятой. Аппаратура: пикнометр объемом 50 см3, имеющий пробку с ка- пиллярным отверстием; аналитические весы; разновески; пипетка на 25 см3; термометр на 100 0С; колба объемом 250 см3; дистилли- рованная вода 60 см3. Рис. 16. Пикнометр 46 Порядок выполнения работы Подготовка прибора. Калибровка пикнометра. Перед началом работы необходимо тщательно промыть пикно- метр и высушить его в сушильном шкафу. Прежде чем производить измерение удельного веса раствора, необходимо откалибровать пикнометр. Калибровка производится следующим образом. 1. Определить на аналитических весах вес высушенного пустого пикнометра с точностью до 4-го знака (Q0). 2. Заполнить пикнометр дистиллированной водой и закрыть пробкой, выдавив избыточную воду через отверстие в ней. 3. Протереть пикнометр снаружи. 4. Определить вес пикнометра с водой с точностью до 4-го зна- ка (Q1). 5. Определить разность весов (Q1 – Q0), которая даст нам вес во- ды (Q2). 6. Внеся поправку на температуру (табл. 4), получим объем пик- нометра в см3 (v0). Таблица 4 Удельный вес дистиллированной воды при различных температурах t, 0С γ , г/см3 t, 0С γ , г/см3 t, 0С γ , г/см3 t, 0С γ , г/см3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0,99987 0,99993 0,99997 0,99999 1,00000 0,99999 0,99997 0,99993 0,99988 0,99981 0,99973 0,99963 0,99952 0,99940 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 0,99927 0,99913 0,99897 0,99880 0,99862 0,99843 0,99823 0,99802 0,99780 0,99756 0,99732 0,99707 0,99681 0,99654 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 45 0,99626 0,99597 0,99567 0,99537 0,99505 0,99473 0,99440 0,99406 0,99371 0,99336 0,99299 0,99262 0,99224 0,99024 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0,98807 0,98573 0,98324 0,98059 0,97781 0,97480 0,97183 0,96865 0,96534 0,96192 0,95838 47 Пример. Вес пикнометра (Q0). . . . . . . . . . . . . . Вес пикнометра с водой (Q1) . . . . . . . . . Вес воды (Q2 – Q1) = 34,0454 – 9,3024 = Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . Поправка на температуру по табл. 4 15γ = Объем пикнометра === 999127,0 7430,24 15 2 0 γ Q v 9,3024 г 34,0454 г 24,7430 г 15 0С 0,999127 24,7636 Определение удельного веса глинистого раствора. 1. Высушить пикнометр в сушильном шкафу. 2. Определить на аналитических весах вес пустого пикнометра с точностью до 4-го знака (Q0). 3. Перемешать пробу раствора. 4. Отобрать пипеткой 25 (50) см3 испытуемого раствора и напол- нить им пикнометр. 5. Закрыть пробку пикнометра, выдавив избыточный глинистый раствор. 6. Протереть пикнометр насухо. 7. Определить на аналитических весах вес пикнометра, запол- ненного глинистым раствором (Q3) с точностью до 4-го знака. 8. Определить разность весов второго и первого взвешиваний (Q3 – Q0), которая даст вес глинистого раствора в объеме пикно- метра (Q4). 9. Разделив вес глинистого раствора на объем пикнометра, полу- чим удельный вес испытуемого раствора (в Г) см3. Конечный ре- зультат округлить до третьего знака. Пример. Объем пикнометра v0 = 25 см 3; вес сухого пикнометра Q0 = 9,1255 г; вес пикнометра с глинистым раствором Q3 = 39,4406 г; вес глинистого раствора Q4 = Q3 – Q0 = 39,4406 – 9,1250 = 30,3150 г; удельный вес глинистого раствора === 25 3150,30 0 4 v Q γ 1,1226 г/см3; округляя до третьего знака, находим 213,1=γ г/см3. 48 Примечания: а) Определение плотности ПЖ на буровой при отсутствии спе- циального лабораторного оборудования возможно с использовани- ем бытовых весов и емкостей. Тарировка емкости (по объему) мо- жет быть осуществлена аналогично изложенному выше на пресной (технической) воде. Точность замера плотности ПЖ будет опреде- ляться чувствительностью имеющихся (пружинных, механических, электронных) весов. б) При замере плотности ПЖ особое внимание уделяется дега- зации (деаэрации) пробы ПЖ перед замером плотности. Простей- ший метод дегазации – отстаивание ПЖ с периодическим переме- шиванием (для разрушения ее структуры). Наиболее эффективная дегазация – это вакууммирование ПЖ. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ И ОТСТОЯ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА Стабильность – это свойство, характеризующее способность гли- нистого раствора удерживать частицы выбуренной породы во взве- шенном состоянии в течение продолжительного времени (см. п. 4.7). Стабильность определяется путем сопоставлений значений удель- ного веса раствора в его верхней и нижней половине, после нахож- дения объема раствора в покое в течение 24 часов. Стабильность обозначается буквой С, размерность ее г/см3. Отстой характеризует способность глинистого раствора выде- лять воду при нахождении его в спокойном состоянии при атмо- сферном давлении. Таким образом, отстой косвенно характеризует стабильность. Отстой обозначается буквой О, размерность – %. Определение стабильности производится с помощью стеклянно- го мерного цилиндра емкостью 200–250 см3, либо с помощью спе- циального металлического цилиндра ЦС. Последний, в связи с большей прочностью, чаще применяется на буровых. 49 А. Определение стабильности с помощью мерного цилиндра 1. Проверить чистоту цилиндра, промыть его водой. 2. Установить цилиндр строго вертикально в специальном месте, где нет вибрации. 3. Заполнить цилиндр испытуемым раствором до метки 200 см3 и засечь время. 4. Оставить раствор в покое на 24 часа. 5. Через 24 часа с помощью пипетки отобрать верхнюю полови- ну (100 см3) раствора вместе с отстоявшейся водой. 6. Тщательно перемещать каждую часть раствора. 7. Определить удельный вес обеих частей раствора с помощью пикнометра (см. работу № 3), разность которых и даст величину стабильности. 8. Тщательно вымыть и вытереть насухо цилиндр. Измерение удельного веса раствора может быть произведено ве- сами ВРП, ареометрами АГ или пикнометром. Б. Определение стабильности с помощью цилиндра ЦС-2 1. Промыть цилиндр водой. 2. Установить цилиндр на подставку в спокойном месте, где нет вибрации. 3. Заполнить цилиндр испытуемым глинистым раствором до верхнего края и записать время. 4. Оставить раствор в покое на 24 часа. 5. Через 24 часа слить в стакан ареометра верхнюю часть раство- ра и определить ее плотность 6. Затем слить в ареометр нижнюю часть раствора и определить ее плотность 7. Определить стабильность как разность замеренных плотно- стей нижней и верхней частей раствора. 50 Рис. 17. ЦС-2 8. Вымыть цилиндр и ареометр и вытереть насухо. Примечания. 1. Вода в ведре, в которое погружается ареометр, не должна ме- няться за время этих двух измерений. 2. При наличии пикнометра или рычажных весов определение удельного веса может быть произведено этими приборами. В. Определение отстоя Для определения отстоя нужно иметь градуированный цилиндр объемом 100 см3 и высотой более 10 см. Порядок выполнения рабо- ты см. п. 4.8. 51 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА Усилие, отнесенное к единице площади, при котором нарушает- ся структура глинистого раствора и он начинает двигаться, называ- ется статическим напряжением сдвига. Статическое напряжение сдвига обозначается буквой θ , размер- ность его мг/см2, г/см2, мПа (1 мг/см2 = 1.10-3 г/см2 =… мПа). Величина статического напряжения сдвига может быть опреде- лена несколькими способами. А. Определение статического напряжения сдвига приборами с соосными цилиндрами В настоящее время при определении статического напряжения сдвига наибольшее распространение имеют приборы с соосными цилиндрами. Они выпускаются с приводом от электромотора (при- бор СНС-1, ротационные вискозиметры). Подготовка прибора к работе 1. Установить прибор СНС-1(см. п. 4.3.1) на устойчивом проч- ном столе, где отсутствуют вибрации. 2. Подвесить подвесную систему прибора за верхний конец нити к пробке кронштейна. 3. С помощью регулировочных винтов добиться соосного распо- ложения цилиндра. 4. Установить «0» шкалы против риски на стрелке указателя прибора путем осторожного и плавного поворота пробки в гнезде кронштейна. 5. Снять подвесную систему и положить ее на стол. 6. Подключить прибор к сети и включением тумблера проверить работу мотора. 7. Взять секундомер и положить его радом с прибором. 52 Рис. 18. СНС-1 Проведение измерений 1. Взять пробу ПЖ и энергично взболтать ее. 2. Зачерпнуть пробу меркой и залить ее в установленный на сто- лике внешний цилиндр. 3. Погрузить подвесной цилиндр во внешний цилиндр и подве- сить нить на пробку. При этом нужно следить, чтобы верхний торец его не погрузился под уровень ПЖ. 4. Осторожно долить ПЖ, чтобы уровень ее достиг точно верх- него края подвесного цилиндра. 5. Взять в левую руку секундомер, а правой осторожно повора- чивая подвесную систему перемешать ПЖ. После перемешивания поставить «0» шкалы против риски на стрелке прибора и одновре- менно пустить в ход секундомер. 6. По истечении одной минуты по секундомеру нажатием тум- блера включить мотор и наблюдать за движением подвесного ци- 53 линдра по шкале прибора. После остановки подвесного цилиндра произвести отсчет по шкале в градусах. 7. Поворотом подвесной системы за трубку возвратить «0» шка- лы к риске на стрелке. 8. Повторить замер угла закручивания три раза и взять среднее значение. 9. Повторить замер величины статического напряжения сдвига три раза после оставления раствора в покое на 10 мин. 10. При проведении измерений и установке шкалы «0», наблю- дающий должен следить за совпадением рисок, нанесенных на про- зрачной стрелке с обеих ее сторон, с целью исключения ошибки параллакса при отсчете. 11. Производство каждого замера от момента пуска мотора до момента остановки подвесного цилиндра не должно продолжаться более 1 мин, чему соответствует максимальный отсчет 700. Если замер продолжался более 1 мин. Его следует признать некачествен- ным, выбранный предел измерений – недостаточным. В этом случае следует заменить нить на более толстую и повторить замер. 12. Если показания прибора находятся в пределах 100, замер также следует признать неточным, а выбранный предел измерений слишком большим. В этом случае следует заменить нить на более тонкую с меньшим пределом измерения. 13. Полученное в результате показание (f) в градусах следует пе- ресчитать в мг/см2 путем умножения среднего значения от трех от- счетов на коэффициент С, соответствующий данной нити, который приводится в паспорте каждого прибора (значения коэффициента С для приборов, имеющихся в лаборатории, приводятся в сводной таблице). fC ⋅=θ . 14. Определить коэффициент тиксотропии α как отношение ве- личины статического напряжения сдвига через 10 мин. ( 10θ ) к вели- чине статического напряжения сдвига через 1 мин. ( 1θ ) 1 10 θ θ α = . 54 15. После проведения измерений промыть все детали, насухо вы- тереть их и подвесной цилиндр поставить внутрь наружного цилин- дра, не подвешивая его на нить. 16. Убрать прибор в шкаф для предохранения его от пыли. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ ВЯЗКОСТИ И ДИНАМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ПРИ ПОМОЩИ ПРИБОРА С СООСНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ Приближенное определение констант 0τ и η можно произво- дить при помощи прибора с соосными цилиндрами (типа СНС-1). Описание этого прибора и подготовка его к работе описаны в рабо- те № 5. Порядок работы при определении констант 0τ и η с помо- щью этого прибора следующий. 1. После заполнения ПЖ внешнего цилиндра до верхнего края подвесного цилиндра, перемешать ПЖ и, установив шкалу на нуль, включить секундомер (см. работу № 5). 2. По истечении одной минуты включить мотор и наблюдать за движением подвесного цилиндра по шкале прибора. После останов- ки цилиндра (разрушения структуры раствора) взять первый отсчет по шкале прибора в градусах (f1), который будет соответствовать величине статического напряжения сдвига (θ ). 3. Выключив мотор, остановить наружный цилиндр, после чего внутренний цилиндр начнет вращаться в обратную сторону. После прекращения вращения внутреннего цилиндра взять второй отсчет по шкале в градусах (f2), который и будет соответствовать величине ди- намического напряжения сдвига ( 0τ ). 4. Повторить замер три раза и взять среднее значение f1 и f2. 5. Определить величину динамического напряжения сдвига по формуле 200 fC ⋅=τ мг/см 2, где С0 – постоянная нити и прибора (приводится в паспорте прибора). 55 6. Определить величину структурной вязкости глинистого рас- твора по формуле )( 211 ffC −=η , где С1 – постоянная прибора и нити, определяемая по формуле rRr nr rC C −=∆ ⋅⋅⋅ ∆⋅⋅ = ; 10 30 0 1 π , где r – радиус внутреннего цилиндра; R – радиус наружного цилиндра; n – число оборотов наружного цилиндра в минуту; 10 – учитывает перевод размерности. Для прибора СНС-1 r = 2,0 см, R = 3,0 см, n = 0,2 об/мин (по паспорту). На основании этих данных постоянная С1 для прибора СНС-1 легко может быть подсчитана С1 = 2,4 . С0. В окончательном виде формула для определения величины структурной вязкости, после подстановки, имеет вид )(4,2)(4,2 0210 τθη −⋅=−⋅⋅= ffC . Примечание. Для точного замера структурной вязкости и дина- мического напряжения сдвига применяют приборы типа ВСН (ро- тационные вискозиметры). 56 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДООТДАЧИ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА Водоотдача глинистых растворов (обозначается буквой В, размер- ность – см3 за 30 минут) характеризует способность глинистого рас- твора выделять воду при создании определенного перепада давления. Существуют два метода создания перепада давления – метод со- здания вакуума и метод создания избыточного давления. В настоящее время применяется ряд приборов для определения водоотдачи. В отечественной практике чаще используют прибор ВМ-6 различных модификаций. Наиболее распространенная из них приведена на фото. В ней фильтрационный стакан (см. п. 4.4.1) вы- полняет функцию стойки прибора а клапаном служит резиновая пробка перекрывающая дренажный канал для отвода фильтрата из- под фильтра прибора укладываемого в поддон-основание фильтра- ционного стакана. А. Определение водоотдачи глинистых растворов с помощью прибора ВМ-6 Рис. 19. ВМ-6 Проведение работы 57 Подготовка к работе 1. Установить прибор на столе. 2. Вынуть плунжер из цилиндра и положить его рядом с крон- штейном. 3. Отвернуть цилиндр, проверить, закрыта ли игла, и положить на стол. 4. Разобрать стакан, вывернув его из поддона. 5. Кружки фильтровальной бумаги смочить водой и уложить в поддон фильтровального стакана, после чего убрать избыток воды с поверхности бумаги, промокнув его сухим листком фильтровальной бумаги. (В случае если фильтровальная бумага непрочна, следует класть два листка фильтра). 6. На фильтр уложить уплотнительное резиновое кольцо и навернуть фильтровальный стакан на поддон тем самым плотно за- фиксировав фильтр в основании стакана. 7. Плотно закрыть резиновой пробкой дренажное отверстие в ос- новании фильтрационного стакана. 8. Подготовить секундомер, положив его рядом с прибором. Проведение измерения 1. Взять ведро с пробой ПЖ и тщательно перемешать ее. 2. Заполнить стакан прибора ПЖ с помощью кружки от виско- зиметра (малый объем) на 3–4 мм ниже края горлышка. 3. Тщательно обтереть резьбу стакана от раствора. 4. Навернуть на стакан цилиндр, предварительно проверив ис- правность прокладки. 5. Налить в цилиндр машинное масло. Масло следует наливать на внутренний край цилиндра так, чтобы струя масла не разбивала рас- твора, не смешивалась с ним; масло следует не доливать на один сан- тиметр до верхнего края втулки цилиндра. 6. Вставить плунжер в цилиндр, при этом он просядет за счет сжатия воздуха в его полости на 2–3 см. 7. Приоткрыть спускную иглу (игольчатый вентиль) и, вра-щая плунжер рукой за накатку на грузе, подвести нулевое деление на шкале к риске на верхнем крае втулки цилиндра. Проверить, нет ли 58 утечки масла. Если не удастся установить прибор точно на нуль и нулевое показание опустится ниже, то следует записать «исходное» показание прибора (поправку). 8. Взять в левую руку секундомер, а правой рукой убрать рези- новую пробку-клапан из дренажного отверстия. В момент открытия клапана пустить в ход секундомер. Замер «пошел». Внимание: при выполнении операций по п. 6, 7 и 8 необходимо вплоть до удаления пробки-клапана осуществлять ее фиксацию в седле клапана (паль- цем), так как при создании плунжером давления (п. 6) в фильтраци- онном стакане, возможен самопроизвольный «выброс» пробки из дренажного отверстия поступающим в него при сжатии пробы ПЖ фильтратом. 9. Записать отсчеты показаний прибора через 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30 минут. При взятии отсчета глаз должен находиться на уровне отсчетной риски втулки цилиндра и на расстоянии от нее 30–40 см. Отсчеты за первые 10–20 с фильтрации технологи могут называть «мгновенной фильтрацией», за 30 мин – «интегральной», они учитываются при оптимизации параметров ПЖ. 10. При большом количестве замеров в целях экономии времени можно взять два отсчета за 2-ую и за 10 минут и с помощью прила- гаемого к прибору бланка с логарифмической сеткой проинтерпо- лировать прямую В = f (t) и определить водоотдачу В за 30 минут. Этот метод может быть применен также в тех случаях, когда ПЖ имеет водоотдачу большую, чем 40 см3 за 30 мин. 11. После взятия отсчетов открыть спускную иглу (игольчатый вентиль), выпустить масло из цилиндра и опустить плунжер с гру- зом. После чего при открытой игле вынуть плунжер из цилиндра и, если конец его запачкан раствором, смыть раствор. 12. Отвернуть цилиндр со стаканом и слить масло из чашки ци- линдра в бачок с маслом. 13. Промыть фильтрационный стакан не разбирая его, для чего подставить его горлышко под струю воды, при этом масло всплывет и уйдет из стакана вместе с водой и глинистым раствором; затем вылить воду и остаток раствора из стакана. 14. Разобрать стакан. 15. После снятия фильтра с глинистой коркой на нем, определя- ют ее толщину и коэффициент липкости (КТК) при наличие прибо- ров согласно п. 4.5, 4.6. 59 16. Вымыть и вытереть детали фильтрационного стакана и со- брать их. 17. Вымыть и вытереть цилиндр; проверить, не загрязнена ли внутренняя поверхность втулки глинистым раствором, прочистить втулку, смазать ее машинным маслом и навернуть цилиндр на стакан. 18. Вставить плунжер, смазанный маслом, в цилиндр и устано- вить прибор на полку (в шкаф, ящик). 19. Хранить прибор следует в собранном виде в защищенном от пыли месте. Транспортировать прибор лучше в разобранном виде: металлические детали отдельно от пластиковых, т.к наиболее рас- пространенный вид повреждения этого прибора – слом пластиковой горловины фильтрационного стакана при транспортировке прибора с навернутыми на стакан цилиндром и вставленным в него массив- ным плунжером. Примечания: 1. Применяемое при работе прибора машинное масло должно быть не густым. В случае необходимости следует разбавить его керосином для разжижения. 2. Нельзя промывать плунжерную пару бензином, т.к. это может вызвать ее заедание. Б. Определение толщины глинистой корки После определения водоотдачи следует осторожно извлечь обра- зовавшуюся глинистую корку вместе с фильтром, смыть водой слой ПЖ с нее, после чего определить ее толщину одним из указанных ниже методов. 1 метод. Вынутый фильтр с глинистой коркой поместить на стеклянную пластинку, определить толщину корки в мм с помощью линейки, имеющей миллиметровые деления (п. 4.5). II метод (более точный). 1. Фильтр с глинистой коркой поместить на стеклянную пла- стинку. 2. Стеклянную пластинку с коркой установить на плиту прибора, служащего для определения нормальной густоты цементного теста (игла Вика). 60 3. Осуществить замер толщины глинистой корки по шкале при- бора путем ее зондирования. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕНТНОГО СОДЕРЖАНИЯ ПЕСКА В ГЛИНИСТОМ РАСТВОРЕ Определение процентного содержания песка в глинистом рас- творе (обозначается П) производится с помощью полевого металли- ческого отстойника ОМ-1 или пластикового ОМ-2 (см. п. 4.9 и фото ОМ-2). Порядок выполнения замера прост и изложен в п. 4.9. Рис. 20. ОМ-2 61 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА Имеется много буровых реагентов для регулирования техноло- гических параметров глинистых растворов и промывочных жидко- стей другого типа. Ниже приводится перечень наиболее распро- страненных в Республике Беларусь реагентов. Главное и общее правило использования буровых реагентов – это их идентификация до начала работы с ними, особенно в условиях буровой, и соблюде- ние правил техники безопасности при контакте с химически актив- ными веществами. А. Регуляторы щелочности водной фазы ГР Способствуют гидратации и пептизации глинистой фазы («рас- пусканию» глины). 1. Каустическая сода (NaOH). 2. Кальцинированная сода (Na2CO3). Оба эти реагента представляют собой щелочи, причем первый является более щелочным, чем второй. Добавка небольшого количества каустической или кальциниро- ванной соды приводит к повышению вязкости уменьшению отстоя и водоотдачи. При добавлении же избыточного количества соды происходит коагуляция частиц глины. Оптимальной для «распускания» глины является слабощелочная среда с рН≈8. Внимание. Каустическая сода – «едкий натр» как в жидком так и твердом виде при попадании на кожу вызывает химический ожег. Попадание в глаза недопустимо. Б. Реагенты-стабилизаторы Б.1. Природные материалы – каустобиолиты, содержащие гуми- новые кислоты. К ним относят широко распространенные в Белару- си торф, бурый уголь, сапропель. При обработке щелочами эти ма- териалы образуют вещества (натриевые соли гуминовых кислот), являющиеся комбинированными реагентами-стабилизаторами ГР. 62 Соответственно реагенты называются торфощелочной реагент (ТЩР), углещелочной реагент (УЩР). Безглинистые ПЖ могут приготав- ливаться полностью из торфа высокой степени разложения или са- пропеля. В таких ПЖ сам органогенный торфо-сапропелевый мате- риал является твердой фазой, а их стабилизация осуществляется также щелочной обработкой. На практике ПЖ в процессе бурения могут иметь в своем составе и глинистый и органогенный материал (глинисто-сапропелевые ПЖ). Натриевые соли гуминовых кислот являются стабилизаторами пресных и слабоминерализованных ПЖ. Б.2. Крахмал – природное органическое соединение. Применяет- ся как стабилизатор глинистого раствора от воздействия минераль- ных вод. Б.3. Декстрин – промежуточный продукт гидролиза крахмала. В зависимости от концентрации добавки декстрина увеличивают сопротивляемость ПЖ коагуляции лабо вызывают ее коагуляцию. Б.4. Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) – стабилизатор ПЖ. Перед обработкой глинистого раствора приготавливается вод- ный раствор реагента (10–30 % концентрации). Рецептура обработки подбирается в зависимости от свойств применяемой глины и требований по соблюдению проектных тех- нологических параметров ПЖ отраженных в геолого-техническом наряде на бурение скважины. Кроме указанных имеется большое количество полимерных (по- лиакрилнитрил, полиакриламид и т.п.) и других материалов (реа- гентов) для стабилизации ПЖ. Их применение в скважинах регла- ментируется специальной технологической документацией. Соблю- дение экологических требований по охране подземных вод от загрязнения является одним из главных условий приемлемости бу- ровых реагентов и материалов в конкретных горно-геологических условиях. В первую очередь это относится к реагентам, получае- мым из отходов промышленности (например, сульфит-спиртовая бирда – ССБ и отходы целлюлозно-бумажной и деревообрабатыва- ющей промышленности). В. Обработка глинистого раствора реагентом 1. Налить в сосуд нормальный глинистый раствор в количестве, не- обходимом для исследования, тестирования (не менее одного литра). 63 2. Добавить к раствору приготовленный заранее реагент в требу- емом количестве (по указанию руководителя лабораторных работ, на буровой-инженера технолога или бурового мастера), в зависимо- сти от качества применяемой глины и в зависимости от того, какие параметры раствора желательно изменить. 3. После добавления реагента в раствор, последний тщательно перемешать в лабораторной мешалке (на буровой – миксерами, подручными средствами) в течение 0,5 часа и оставить в покое на 1–2 часа. 4. По истечении указанного срока определить вязкость раствора и при необходимости разбавить его водой до получения требуемого значения этого параметра по СПВ-5. 5. Определить все технологические параметры обработанного раствора и сравнить их с исходными. Г. Приготовление стабилизированного ГР с изменением порядка ввода реагентов Г.1. Приготовление ГР на предварительно обработанной щело- чью жидкости затворения. Г.2. Стабилизация ГР вводом сухого реагента стабилизатора. Г.3. Стабилизация ГР вводом предварительно приготовленного раствора реагента стабилизатора. Порядок ввода реагентов в ПЖ непосредственно на буровой определяется, как правило, условиями производства и техническим обеспечением буровых работ. Д. Приготовление углещелочного и торфощелочного реагентов Углещелочной реагент приготавливается из бурого угля (тор- фощелочной – торфа), каустической соды и воды. Лучшими углями или торфами для приготовления реагента явля- ются те, которые содержат большое количество гуминовых кислот. Процентное содержание в реагенте бурого угля (торфа) и кау- стической соды (по отношению к содержанию воды, которое при- нимается равным 100 %) обозначается шифром. Например, Б-15-2. 64 Здесь буква Б (для торфа Т) показывает, что в состав реагента вхо- дит бурый уголь (или торф), а цифры 15 и 2 соответственно харак- теризуют процентное содержание безводного бурого угля и безвод- ной каустической соды в реагенте. В промысловой практике принято приготавливать реагенты с со- держанием бурого угля в пределах 10–12 % и щелочи 1–5 % по от- ношению к воде. Подготовка к работе 1. Зная шифр реагента, определить потребное количество влаж- ного бурого угля по формуле n Q P y y ⋅− = 01,01 , где Qу – количество безводного бурого угля (первая цифра в шифре); n – влажность бурого угля, %. 2. В случае, если влажность бурого угля неизвестна, определим ее (методом термического обезвоживания). 3. В случае, если каустическая сода имеется не в сухом виде, а в растворе, следует определить потребное количество раствора кау- стической соды по формуле m Q v c ⋅ = 01,00 , где Qc – количество безводной каустической соды, потребное для приготовления реагента, г; v0 – объем раствора соды, необходимый для приготовления реа- гента, см3; m – содержание соды в жидком растворе, %. 4. Для определения процентного содержания соды в растворе, необходимо замерить удельный вес раствора соды ареометром и найти содержание соды по табл. 5. 65 Приготовление реагента 1. Налить в мерный цилиндр половину необходимого количества воды (100–200 см3) и определенное расчетом количество каустиче- ской соды. 2. Взять бурый уголь, растереть его в порошок и просеять через сито. 3. Отвесить расчетное количество бурого угля и высыпать его в мерный цилиндр с раствором каустической соды. 4. Перелить смесь в колбу и перемешивать ее в течение 30 минут. 5. Добавить вторую половину потребного количества воды и продолжать перемешивание еще 30 минут. 6. По истечении 1 часа перемешивания смеси реагент может быть применен для обработки раствора. Таблица 5 Содержание едкого натра (твердой кристаллической каустической соды) в водных растворах различного удельного веса при 15 0С Удель- ный вес, γ Гра- дусы Боме % едкого натра Содержание едкого натра в 1 л раствора, г Удель- ный вес, γ Гра- дусы Боме % едкого натра Содержание едкого натра в 1 л раствора, г 1,007 1,036 1,075 1,116 1,162 1,210 1,253 1,320 1,332 1,345 1,357 1,370 1 5 10 15 20 25 30 35 36 37 38 39 0,59 3,15 6,58 10,30 14,35 18,71 23,50 28,83 30,00 31,20 32,50 33,73 6,0 32,6 70,7 114,9 166,7 226,4 296,9 380,6 399,6 419,6 441,0 462,1 1,383 1,397 1,410 1,424 1,433 1,453 1,463 1,483 1,498 1,514 1,530 - 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 - 35,00 36,36 37,65 39,06 40,47 42,02 43,38 45,16 46,73 48,41 50,10 - 484,1 507,9 530,9 556,2 582,0 610,6 639,8 669,7 700,0 782,9 776,5 - 66 Е. Приготовление сапропелевой (органогенной) промывочной жидкости Для приготовления ПЖ применяют органический сапропель в виде крошки, который фасуется в мешки весом около 40 кг. Чем больше в жидкость затворения вводится щелочи и сапропеля, тем выше ее вязкость и ниже водоотдача. Рекомендуемое по опыту бурения Белорусской гидрогеологической экспедиции соотноше- ние в ПЖ сапропель: каустическая сода по массе равно 15:1. Для забурки скважин применяют из расчета на стандартную глиноме- шалку объемом 0,75 м3 гранулированного (сухого) NaОН – 13,3 кг, сапропеля – 200 кг (5 мешков), для бурения в устойчивых породах (суглинки и т.п.) количество NaОН – 6÷7 кг, сапропеля – 100 кг. Гранулированный NaОН в условиях буровой отмеряют емкостью известного объема, в 1 дм3 (1 л) находится около 1,1 кг гранулиро- ванного NaОН. Практическая лабораторная задача: рассчитать количество NaОН и сапропеля для приготовления 1 л органогенной ПЖ и приготовить ПЖ в следующей последовательности 1) в сосуд объемом 1,5 л налить воды в объеме 0,2 л, засыпать расчетное количество NaОН и перемешать до полного растворения; 2) ввести в сосуд расчетное количество сапропеля и перемешать; 3) добавить в сосуд воду до объема 1 л с перемешиванием по окончании ввода воды не менее 0,5 часа. Выдержать ПЖ (на реак- цию) в течение 0,5÷1 часа; 4) замерить рН ПЖ и остальные технологические параметры (Т, В, К, СНС, О). Ж. Определение выхода глинистого раствора (ПЖ) Параметр «выход ПЖ (ГР)» показывает, сколько по объему ПЖ нормального качества (обладающей нормальными технологически- ми параметрами) можно получить из единицы массы твердой фазы: глин, сапропеля и т.п. Обычно (например, из п. Е) следует, что выход органической (сапропелевой ПЖ) составляет: жидкой ПЖ: 1,0 75,0 = 7,5 м3/т (при условии щелочной модификации сапропе- 67 ля); вязкой ПЖ: 2,0 75,0 =3,75 м3/т. Для высококачественных бентони- товых глин выход ГР может превышать 10÷12 м3/т. Практическая лабораторная задача: определить выход ГР из местной комовой глины с целью определения ее пригодности для целей бурения. Проведение работы 1. Взять навеску глины не менее 0,5 кг и тщательно измельчить (если глина сухая). Заливать глину предварительно подщелоченной до рН = 8 водой объемами 0,1÷0,2 л с перемешиванием после каж- дого добавления воды не менее 15÷20 минут. Вести запись: а) количества глины; б) количества вводимой воды с содержащимся в ней расчетным количеством NaОН (Na2CO3); в) времени перемешивания и консистенции ГР после каждого ввода воды и перемешивания. 2. Ввод воды прекратить после достижения смесью (ГР) текучей консистенции. Замерить условную вязкость (Т) и плотность ( ρ ) ГР. Дальнейшим вводом воды довести Т до значений 25÷30 с. Выдер- жать ГР «на гидратацию» 1÷2 часа (повторный замер выполняется через сутки). Замерить конечный объем ГР и все технологические параметры. Записать (рассчитать) выход ГР и количество щелочи на моди- фикацию глины, особо указать параметры, подлежащие регулиро- ванию: а) высокая водоотдача (> 20 см3/30 мин); б) низкая стабильность (> 0,05 г/см3); в) высокое содержание песка. 3. Вводом реагентов стабилизаторов добиться оптимизации тех- нологических параметров до проектных требований (задается пре- подавателем или технологом исходя из типовых ГТН на бурение скважин). Выход ПЖ является одним из базовых параметров для проекти- рования процесса бурения и затрат по статье «расход материалов на бурение», в данном случае – глиноматериалов. 68 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 10 УТЯЖЕЛЕНИЕ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА Утяжеление глинистого раствора с целью повышения его удель- ного веса производится путем добавки к раствору барита, гематита или другого утяжелителя. Для проведения теста по утяжелению ПЖ необходимо взять ее пробу не менее одного литра. Проведение работы 1. Определить потребное количество утяжелителя по формуле кут нkутpv g γγ γγγ − −⋅⋅ = )( , где vp – объем глинистого раствора в литрах, который нужно утя- желить; утγ – удельный вес утяжелителя; нγ – удельный вес исходного глинистого раствора; кγ – удельный вес раствора, который желательно получить по- сле утяжеления. Примечания. а) Приближенные веса утяжелителей даны в табл. 6. б). Точное определение удельного веса утяжелителя производит- ся с помощью пикнометра Ле-Шателье или обычного пикнометра (см. лаб. работу № 3, В). Таблица 6 Удельные веса утяжелителей Наименование утяжелителя Удельный вес в руде Чистого от до от до Барит Гематит Магнетитовые пески Пиритовые огарки 3,5 4,3 3,6 3,6 4,2 4,6 4,5 3,8 4,3 5,19 4,9 4,5 4,5 5,23 5,2 5,0 69 2. Отвесить требуемое количество утяжелителя – 10 %. 3. Растереть утяжелитель в ступке и просеять его через сито. 4. Отвесить точно расчетное количество утяжелителя. 5. Добавить утяжелитель к отмеренному объему глинистого рас- твора и тщательно перемешать его с помощью лабораторной гли- номешалки. 6. Перемешивание производить не менее 30 мин. При отсутствии лабораторной глиномешалки интенсивно перемешивать раствор вручную также не менее 30 мин. 7. После приготовления утяжеленного раствора определить основ- ные его параметры и сопоставить с параметрами исходного раствора. Примечание. Барит является оптимальным утяжелителем в свя- зи с его относительно низкой абразивностью по сравнению с остальными видами утяжелителей. А. Определение удельного веса утяжелителя с помощью пикнометра В случае если удельный вес утяжелителя неизвестен, его проще всего определить с помощью пикнометра Ле-Шателье. Пикнометр Ле-Шателье имеет на горлышке две риски – верх- нюю и нижнюю. Объем расширения между ними равен 20 см3. В случае если в лаборатории отсутствует пикнометр Ле-Шателье, объемный вес утяжелителя можно определить с помощью обыкно- венного пикнометра объемом 50 см3. Определение удельного веса утяжелителя с помощью пикнометра Ле-Шателье 1. Отобрать среднюю пробу утяжелителя, растереть ее, просеять через сито и высушить ее в сушильном шкафу для получения по- стоянного веса при температуре 105 0С. 2. Заполнить пикнометр Ле-Шателье керосином до нижней мет- ки. Обтереть его снаружи насухо. 3. Определить вес пикнометра с керосином. 4. Отвесить 100 г высушенного утяжелителя. 70 5. Засыпать утяжелитель небольшими порциями в пикнометр с керосином, причем уровень последнего будет повышаться. 6. Прекратить засыпание утяжелителя в пикнометр как только уровень керосина в нем поднимется до верхней метки. В этот мо- мент объем засыпанного утяжелителя составит 20 см3. 7. Определить вес засыпанного утяжелителя как разность его пер- воначального веса и веса оставшегося незасыпанным утяжелителя. 8. Определить удельный вес утяжелителя путем деления веса за- сыпанного в пикнометр утяжелителя в граммах на 20. Определение удельного веса утяжелителя с помощью обычного пикнометра 1. Определить объем (v1) и вес (Р) пикнометра (работа № 3, В). 2. Отобрать среднюю пробу утяжелителя, растереть ее, просеять через сито и высушить ее в сушильном шкафу до постоянного веса при температуре 105 0С. 3. Засыпать утяжелитель в пикнометр. 4. Определить вес пикнометра с утяжелителем (Р1) путем взве- шивания. 5. Определить вес засыпанного в пикнометр утяжелителя (Р3) как разность Р3 = Р1 – Р. 6. Налить в стеклянный стакан керосин с известным удельным весом (либо предварительно определить его удельный вес). 7. Постепенно заливать в пикнометр керосин, перемешивая утя- желитель проволочкой, с целью удаления воздуха, находящегося между его частицами. Заполнить пикнометр доверху и закрыть его пробкой, причем излишек керосина вытечет через отверстие в пробке. 8. Вытереть пикнометр и снова определить его вес (Р2). 9. Определить вес керосина в пикнометре вычитанием Р4 = Р2 – Р1. 10. Определить объем керосина в пикнометре по формуле γ 12 2 PP v − = . 11. Определить объем утяжелителя в пикнометре по формуле 71 У PP vvvv 121213 − −=−= . 12. Определить удельный вес утяжелителя У1 У1 = У PP v PP v Р 12 1 1 3 3 − − − = . Б. Определение тонкости помола утяжелителя Тонкость помола утяжелителя определяется путем просеивания его через сита и взвешивания остатков. Согласно методикам приме- нявшимся еще в СССР остаток на сите с 4900 отверстиями на 1 см2 должен быть не более 5 %. Остаток на сите с 10000 отверстиями на 1 см2 – не менее 5 % и не более 10 %. Порядок определения тонкости помола утяжелителя следующий. 1. Взять сито с 4900 отверстиями на 1 см2 и установить его на си- то с 10000 отверстиями на 1 см2. 2. Взять навеску утяжелителя 10 г, высушенного в сушильном шкафу при температуре 105 0С до постоянного веса. 3. Поместить навеску утяжелителя на верхнее сито. 4. Произвести просеивание утяжелителя в течение одного часа. 5. Собрать и взвесить остатки утяжелителя на верхнем и нижнем ситах. 6. Определить № утяжелителя, не проходящего через сито ука- занной крупности, путем умножения веса соответствующего остат- ка в граммах на 10. Например: из 10 г утяжелителя на верхнем сите осталось 0,2 г, на нижнем – 0,7 г. № 2/7. 72 Заключение Кафедра «Горные работы» БНТУ располагает всем приведенным выше лабораторным оборудованием, в том числе являющимся спон- сорской помощью ПО «Белоруснефть», для обучения студентов и, при необходимости, бурового персонала, навыкам по определению технологических параметров буровых промывочных жидкостей. Имеются также оригинальные разработки полевых лабораторных приборов отвечающих требованию импортозамещения, в частности буровая линейка-плотномер типа «Babe». В сотрудничестве с пред- приятиями Минприроды (ГП БелНИГРИ) и в соответствии с дей- ствующими «Правилами проектирования, сооружения (строитель- ства), ликвидации и консервации буровых скважин различного назначения (за исключением нефтяных и газовых)» ТКП 17.04-21– 2010 (02120) кафедра может выполнять силами сотрудников кафед- ры и студентов старших курсов имеющих квалификационные удо- стоверения не ниже 4 разряда, договорные работы и услуги по под- бору материалов и реагентов, оценке вновь предлагаемых материа- лов и реагентов в области бурения (строительства) скважин и их испытаниям в производственных условиях. 73 Источники информации 1. Винниченко, В. М. Технология бурения геологоразведочных скважин: Справочник бурильщика / В. М. Винниченко, Н. М. Мак- сименко. – М. : Недра, 1988. – 149 с. 2. Оборудование для анализа тампонажных цементов и буровых растворов : каталог «Аналитические приборы, лабораторное обору- дование». – Изд. 4-е / ЗАО «Эпак-сервис». Официальный предста- витель компании OFI Testing Equipment (США, штат Техас) на тер- ритории СНГ. – Омск, 2010. 3. Техническое описание и инструкции по эксплуатации при- боров из комплекта полевой лаборатории глинистых растворов типа ЛГР-3. 74 СОДЕРЖАНИЕ Введение .................................................................................................. 3 1. Функции промывочных жидкостей ............................................. 3 2. Основные виды промывочных жидкостей .................................. 4 3. Технологические параметры буровых промывочных жидкостей ........................................................... 13 4. Измерение технологических параметров ПЖ .......................... 16 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 Приготовление глинистой буровой промывочной жидкости (глинистого раствора) ..................................................................... 35 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 Определение условной вязкости глинистого раствора ................ 38 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 Определение удельного веса (плотности) глинистого раствора ........................................................................ 40 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4. Определение стабильности и отстоя глинистого раствора ......... 48 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 Определение статического напряжения сдвига ............................ 51 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 Определение структурной вязкости и динамического напряжения сдвига при помощи прибора с соосными цилиндрами ...................................................................................... 54 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 Определение водоотдачи глинистого раствора ............................ 56 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 Определение процентного содержания песка в глинистом растворе ............................................................................................ 60 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 Химическая обработка глинистого раствора ................................ 61 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 10 Утяжеление глинистого раствора .................................................. 68 Заключение ............................................................................................ 72 Источники информации ....................................................................... 73 75 Учебное издание БАБЕЦ Михаил Анатольевич САНОЦКАЯ Татьяна Игоревна БУРОВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ Методическое пособие для студентов специальности 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» специализации 1-51 02 01-04 «Буровые работы» Технический редактор О. В. Песенько Подписано в печать 09.11.2012. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 4,36. Уч.-изд. л. 3,41. Тираж 100. Заказ 418. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.