Параметры, характеризующие свойства ГЖС

Газожидкостная смесь – это дисперсная система пленочно-ячеистой структуры, в которой ячейки – пузырьки газа – разделены пленками, состоящими из водного раствора ПАВ-пенообразователя и других растворенных компонентов и являющимися непрерывной фазой, которая образует пленочный каркас, служащий основой пены. Прочность этого каркаса определяет основные технологические параметры ГЖС в целом.

Структуру ГЖС определяют в основном соотношением объемов газовой и жидкой фаз. Ячейки такой системы принимают шарообразную форму при 10–15-кратном увеличении объема газа по отношению к жидкости. В случае увеличения этого соотношения до десятков и сотен раз пленки в составе ГЖС утончаются и приобретают форму многогранника

Степень аэрации является основным параметром, характеризующим состояние фаз в составе ГЖС, и определяют его по формуле:

, (7.1)

где θ_г и θ_ж – объемные расходы газовой и жидкой фаз соответственно.

Кроме того, параметр α можно назвать как объемное содержание газа (воздуха) в жидкости, определяемое по формуле:

, (7.2)

где V₀ – объем газа (воздуха) на устье скважины (при атмосферном давлении Р₀); V_ж – объем жидкости.

При атмосферном давлении α = 40-60 характеризует ГЖС как аэрированную жидкость, в которой газовые пузырьки находятся в непрерывной жидкой дисперсной среде. Для тех же условий значения α = 60-300 характерны для пены, у которой жидкая фаза за счет высокого газосодержания вырождается до тонких пленок перегородок.

Кратность пены – это параметр, применяемый в зарубежной практике:

, (7.3)

где V_г и V_п – объем газа и объем пены соответственно.

Исследованиями Митчелла доказано, что при К_п = 0-0,54 ГЖС ведет себя как ньютоновская жидкость, а при К_п = 0,54-0,96 проявляет свойства пластической системы Бингама.

В отечественной практике кратность пены рекомендуется опрделять по формуле:

, (7.4)

где V_п и V_ж – объем пены и жидкости для ее получения соответственно.

При β_п ≥ 3,8 ГЖС считается пеной, а при β_п < 3,8 – это воздухожидкостная смесь в виде эмульсии газа в жидкости. Основной недостаток этого параметра заключается в том, что он изменяется в зависимости от свойств используемых ПАВ-пенообразователей, их концентрации в растворе и способа получения ГЖС.

Сравнение ГЖС по параметрам К_п и β_п возможно только при адекватности условий, поэтому чаще всего для характеристики вида ГЖС применяю параметр α – степень аэрации.

Пенообразующая способность растворов ПАВ-пенообразователей характеризуется количеством ГЖС через объем или высоту столба, образующегося из определенного его объема раствора.

Экспериментальные работы, проведенные сотрудниками ВИТРа, показали, что наиболее высокой пенообразующей способностью обладают растворы анионоактивных веществ. При этом вещества, наиболее сильно понижающие поверхностное натяжение, как правило, обладают наивысшей пенообразующей способностью. Пенообразующая способность растворов ПАВ возрастает с увеличением концентрации раствора до критической. С увеличением концентрации (начало мицеллообразования) выше критической пенообразующая способность остается неизменной или понижается. Наличие стабилизирующих добавок в составе раствора ПАВ значительно улучшает пенообразующую способность за счет повышения дисперсности и устойчивости пены.

Наличие примесей солей, особенно двухвалентных катионов, в воде, на которой приготовлен раствор ПАВ, значительно снижает пенообразующую способность растворов анионактивных и катионоактивных ПАВ. Добиться эффекта пенообразования раствора ионогенных ПАВ на минерализированной воде можно, введя очень большие концентрации ПАВ, используя явления солюбилизации, либо нейтрализовав действие солей и добавками и триполифосфата натрия. Аналогичное действие на большинство растворов ПАВ оказывают добавки нефти.

Неионогенные вещества подвержены воздействию солей и загрязнению нефтью в значительно меньшей мере, нежели ионогенные.

Добавление глины повышает пенообразующее действие растворов анионактивных веществ, и отрицательно действуют на растворы неионогенных веществ.

Повышение температуры среды до 40 приводит к повышению пенообразующей способности. В то же время известно, что при температуре 100 неионогенные ПАВ теряют способность к пенообразованию и восстанавливают ее по мере снижения температуры.

Пенообразующая способность, как и кратность пены, зависит от конструкции аэрирующего устройства и режима получения пены (соотношение воздуха и пенообразующего раствора).

Устойчивость пен из растворов неионогенных ПАВ практически всегда ниже, чем из растворов анионактивных ПАВ. Эффективными стабилизаторам пен являются карбоксиметилцелюлоза, полиакриломид, поливиниловый спирт. Устойчивость пены, образованной под давлением, значительно выше устойчивости пены, образованной при атмосферном давлении.

Способность пен сохранять определенное время свою первоначальную форму в отличие от жидкостей позволяет рассматривать их как структурированные системы, обладающие свойствами твердых тел.

Исследования напряжения сдвига свидетельствует о том, что эта величина зависит от концентрации ПАВ в растворе. Кривые зависимости пенообразующей способности (или кратности пены) и напряжения сдвига от концентрации ПАВ подобны, а максимумы указанных свойств примерно соответствуют области критической концентрации мицеллообразования – ККМ. Это указывает на то, что пена с тонкими пленками обладает наиболее прочной структурой.

На вязкость пен влияет ряд факторов: вид вспенивающего агента, его концентрация в растворе, дисперсность пены.

С увеличением градиента скорости вязкость пены значительно уменьшается. При одной и той же скорости вязкость пены определяется объемным соотношением воды и воздуха, повышаясь с увеличением содержания последнего. В связи с этим увеличение давления на пену снижает вязкость. Например, при увеличении давления на пену от 0,125 до 0,63 МПа вязкость пены уменьшается от 1,09 до 1,9 Па . При этом значения вязкости пены под давлением и содержащей меньшее количество воздуха эквиваленты.

Отмечено также снижение вязкости пены при повышении температуры, добавлении к пенообразующему раствору NaCl, спиртов и других веществ. В процессе старения пен вязкость их вначале увеличивается, а затем в зависимости от типа ПАВ может оставаться постоянной или уменьшаться.

Механическая прочность пен увеличивается при добавлении метилцеллюлозы и пропиленгликоля.

Важное свойство пен при использовании их в качестве очистного агента в бурении - способность эффективно выносить из скважины шлам выбуренной породы. При этом существенную роль играют поверхностные явления (поверхностное натяжение, угол смачивания), создающие прочную связь системы частица шлама - пузырек воздуха.

Интенсивная очистка забоя скважины от шлама при использовании пены происходит в результате действия гидродинамической силы потока промывочной жидкости в сочетании с эффектом флотации шлама.

Предпологают, что в процессе бурения с применением пены условия для удержания частиц выбуренной породы на поверхности пузырька более сложны, чем при прекращении циркуляции, когда движение пены в кольцевом канале обусловлено только ее упругими свойствами. Двух- и трехфазные пены, хотя и относятся к псевдопластичным телам, существенно отличаются от глинистых растворов, прежде всего упругими свойствами. Структурная вязкость и предел текучести этих растворов непостоянны и зависят от глубины скважины. На пути от забоя до устья пена увеличивает свой объем вследствие увеличения размеров пузырьков при снижении давления. Одновременно выделяется часть растворенного газа, изменяются густота пены, скорость ее потока, струкутурная вязкость и предел текучести.

Структурно-механические свойства пены по мере приближения ее к устью скважины подвергаются изменениям вследствие снижения плотности и увеличения скорости потока, структурной вязкости и напряжений сдвига. Обобщенное число Рейнольдса для потока пены в кольцевом канале будет тем больше, чем ниже давление. Следовательно, вынос шлама пеной происходит более эффективно, чем другими видами растворов.

Пена, как и любая дисперсная система, является агрегатно неустойчивой, что объясняется избытком поверхностой энергии, пропорциональной поверхности раздела жикость-газ. Известно, что замкнутая система с избытком свободной энергии находится в неустойчивом равновесии, поэтому ее свободная энергия уменьшается до момента достижения минимального значения, при котором наступает равновесие. Если такая система состоит из жидкости и газа, как в пенах, то минимальное значение свободной энергии, а значит, и поверхность раздела, будет достигнуто тогда, когда пена превратится в жидкость и газ.

Под пенообразующей способностью раствора (вспениваемостью) понимают количество пены, выражаемое ее объемом или высотой столба, которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение определенного отрезка времени.

Для оценки пенообразующей способности ПАВ в настоящее время существует ряд относительных методов: встряхивание, взбивание, продувание воздуха (впервые использованное в приборе Тютюникова); перемешивание, применяемое в промышленности биосинтеза, производстве моющих средств; выливание, например в приборе Росс- Майлса, широко применяемом в различных отраслях промышленности; трение.

Многие исследователи пытались найти метод, позволяющий определить инвариантную величину, характеризующую вспенивающую способность жидкостей различного типа в ранообразных условиях пенообразования, так как результаты измерений пенообразующей способности ПАВ, полученные различными исследователями относительными методами, не сопостовимы. ВИТР использует при исследовании свойств растворов ПАВ модифицированный метод Росс-Майлса, который утвержден Международной организацией по стандартизации (ИСО).

Рис. 7.2

Прибор Росс-Майлса

Прибор Росс-Майлса показан на рис 7.2 Воронка 1 зафиксирована так, что расстояние между нижним срезом трубки 3 и исходной поверхности раствора в мерном цилиндре 4 равно 450 мм. Внутренний диаметр цилиндра составляет 65 мм. Калиброванная трубочка длиной 70 мм выполнена из нержавеющей стали, ее внутренний диаметр равен 1,9 0,02 мм. Емкость 5,сделанная из прозрачного материала, предназанчена для термостатирования мерного цилиндра и его содержимого прокачиванием термостатирующей жидкости.

В мерный цилиндр 4, содержащий первоначально 50 мл раствора ПАВ, из воронки 1 через трубку 3 выливают 500 мл того же раствора. По окончании истечения одновременно с закрытием крана 2 включают секундомер и измеряют высоту столба пены в мерном цилиндре через 30 с (пенообразующая способность) и через 3 и 5 мин после окончания пенообразования.

Устойчивость пены к определенному моменту времени определяют по высоте ее столба, т.е. по объему, зафиксированному в этот момент. Выражается она в миллиметрах или в процентах по отношению к пенообразующей способности. При определении стабильности пены, используемой в качестве очистного агента, промежуток времени следует увеличить до 20 или даже 30 мин.

Крастность пен (соотношение воздуха и жидкости в пене) оценивается методами взвешивания, электропроводности Кларка и радиокативными на установке, состоящей из источника радиоактивного излучения (цезий-137) и счетчика (сцинциллятора).

Известен ряд методов определения дисперсности пен: микрофотографирования, основанный на фотографировании с многократным увеличением участка пены и подсчета на нем числа пузырьков; оценки ее удельной поверхности; радиографический.

Для определения факторов, влияющих на эффективность выноса воды и шлама воздухом или пеной, в ВИТРе использовали установку, показанную на рис. 7.3

Рис. 7.3. Схема установки для определения факторов, вляющих на эффективность выноса воды и шлама из скважины

Из воздуховодки 2 с приводом от электродвигателя 1 определенное (отрегулированное посредством системы заслонок 3 и газового счетчика 4) количество воздуха подавалось в модель скважины 8 и дозатор 7. Воздух по центральной трубе, имитирующей колонну бурильных труб, подавался на забой модели скважины, поднимался по кольцевому каналу и через отводы поступал в емкость 12. Система трубок и краны 9 и 11 позволили имитировать водоприток различной интенсивности в модель скважины. При закрытых кранах 5 и 6 с помощью крана 10 можно под давлением подаваемого дозатор 7 воздуха осуществить подачу в модель скважины раствора ПАВ в строго определенных количествах. При необходимости одновременно с водой в моднль скважины вводится шлам той или иной породы. Давление циркулирующего по модели скважины воздуха фиксируется манометром 13.

Регулируя подачу воздуха, раствора ПАВ, водоприток, количество подаваемого шлама и изменяя состав воды, можно оценить эффективность действия ПАВ по количеству вынесенной пеной воды и шлама. По методу Росса-Майлса для определения пенообразующей способности, утвержденной международной организацией стандартизации, в соответствии с которым 500 мл водного раствора пенообразователя выливается в мерный цилиндр объемом 1000 мл, в который первоначально заливается 50 мл такого же раствора. Пенообразующая способность характеризуется высотой столба пены в цилиндре через 30 с после закрытия капилляра.

Наиболее простым методом определения пенообразующей способности ПАВ является взбалтывание 50 мл водного раствора в стеклчнном цилиндре с делениями объемом 500 мл. Величина получаемого объема пены является мерой пенообразующей способности ПАВ.

Однако основным недостатком таких методов определения пенообразующей способности ПАВ является резкое отличие условий получния пены от реальных условий формирования ГЖС с использованием различных устройств при бурении скважин.

На кафедре разведочного бурения МГГА апробирован метод определения пенообразующей способности ПАВ с использованием диспергационного способа получения пены с помощью разработанной лабораторной установки (рис. 7.4), включающей стеклянный мерный цилиндр 1 емкостью 500 см³, пеногенератор 2 с сеткой 3 с размером ячейки 1 мм, регулировочные краны 4, емкость 5, заполняемую водным раствором ПАВ с дозатором 6, лабораторный компрессор 7 и стеклянную трубку 8. Расход воздуха компрессора составляет 0,05 м³/мин при давлении 0,3 МПа.

Перед измерениями в емкость через дозатор заливают 50 мл исследуемого водного раствора ПАВ. После отстаивания в течение 3-5 мин включается компрессор и с помощью кранов включается равномерная, без пульсаций подача пены через стеклянную трубку в мерный цилиндр. после подачи пены через 15-30 с берут отсчет по шкале мерного цилиндра в виде объема образовавшейся пены. По формуле (7.4) можно найти кратность пены β_п.

Рис. 7.4. Схема лабораторной установки для исследования пенообразующей способности ПАВ

Стабильность пены является основным параметром, характеризующим применимость той или иной ее композиции для выполнения технологических функций при бурении скважин. Получение пен с максимальной стабильностью ограничивается тем обстоятельством, что выходящая из скважины пена должна эффективно разрушаться для извлечения из ее состава частиц бурового шлама и повторного использования по замкнутому циклу с целью исключения загрязнения окружающей природной среды. Кроме того, при остановке циркуляции более стабильная пена не дает оседать на забой частицам бурового шлама, предотвращая осложнения в скважине.

Стабильность пены зависит от следующих факторов:

· вида и концентрации ПАВ-пенообразователя;

· температуры;

· жесткости воды;

· наличия в составе водного раствора ПАВ реагентов-стабилизаторов.

Стабильность пены принято оценивать на основе изменения объема ее во времени. Анализ большого количества кривых разрушения ГЖС применительно к конкретным видам ПАВ-пенообразователей, их содержания в составе водного раствора, минерализации исходной воды, количества и вида реагентов-стабилизаторов позволяет для конкретных условий бурения скважин подобрать рациональные их рецептуры для наиболее эффективного выполнения или основных технологических функций.

С целью проведения таких исследований необходимо использовать кривые разрушения ГЖС в виде нисходящих кривых (рис. 7.5). Такие кривые строят на основе наблюдений за изменением объема полученной пены различного компонентного состава через 0,5; 1,0; 5; 10; 15; 20; 25 и 30 мин.

На рис. 7.5 показан образец получаемой кривой разрушения ГЖС во времени.

Рис. 7.5. Общий вид кривой разрушения объема ГЖС V_п во времени t

На рис. 7.5 видно, что кривая разрушения ГЖС состоит из ьрех участков:

- первый участок характеризуется постоянным или медленно уменьшающимся объемом ГЖС, V₀;

- второй характеризуется изменением объема ГЖС от V до V₂ за время от t до t₂;

- третий характеризуется постепенно приближающимися к минимальному объему ГЖС, практически равному объму пенообразующего раствора (50 мл).

Практически прямолинейный участок на кривой разрушения ГЖС можно характеризовать крутизной, см³/мин:

. (7.5)

В какой-то отрезок времени t объем ГЖС будет описываться уравнением:

V_t = V₀ – α (t – t₁) (7.6)

или, подставив вместо α (7.5), получим:

. (7.7)

Кратность пены в момент времени t составит:

, (7.8)

где V_ж – объем водного раствора ПАВ, употребленного на образование ГЖС.

Тогда, подставив (7.7) в (7.8), получим

, (7.9)

где - кратность ГЖС в первоначальный период времени (до 0,5 мин).

Параметры α и V₀ определяют по графику кривой разрушения.

Если ввести обозначение параметра интенсивности разрушения пены

мин ^-1 в виде

, (7.10)

то условие (7.9) запишем так:

. (7.11)

Таким образом, используя выражение (7.11), можно определить важнейший параметр ГЖС – кратность К_t в любой момент времени t.

Для выполнения условия сохранения основных технологических функций потоком ГЖС необходимо задать ее конкретное значение кратности К_t. В этом случае можно расчетным путем определить время, в течение которого рассматриваемая ГЖС будет обладать достаточными технологическими свойствами. Так, приняв К_t = 10, решив уравнение (7.11) относительно t, определим время (мин) существования наиболее высоких технологических свойств ГЖС конкретной рецептуры:

. (7.12)

Такой параметр, значения которого находят по формуле (7.12), является комплексным, так как учитывает исходную пенообразующую способность К₀, параметр интенсивности разрушения υ_р и время, за которое ГЖС практически не изменяет свой объем t₁.

На основе анализа кривых разрушения ГЖС были рассчитаны значения критерия t применительно к конкретному ее составу. Такие составы газожидкостных смесей охватывают широкий диапазон геолого-технических условий бурения скважин от относительно устойчивых горных пород до бурения в условиях высокой минерализации пластовых вод, растворимых соленосных толщ и многолетнемерзлых отложений. Для этих условий бурения можно рекомендовать ГЖС, составы которых приведены в табл. 7.3, применительно к которым рассчитаны значения параметра t.

Используя данные, приведенные в табл. 7.3, можно для конкретных условий: глубины скважин, способа бурения (размер частиц бурового шлама), свойств горных пород (устойчивость, содержание глинистых отложений, минерализация, наличие многолетнмерзлых пород) – выбрать конкретный состав ГЖС с определенным значением параметра t.

Например, для относительно устойчивых пород и небольшой глубины скважины можно рекомендовать составы ГЖС на основе сульфанола (до 0,5 %) при t до 13 мин. В случае увеличения глубины бурения в тех же породах необходимо рекомендовать составы ГЖС на основе пенола-1 (до 0,5 %), что обеспечивает значения t до 20 мин с более высокими выносящими свойствами и стабильностью. При бурении в условиях возможной минерализации пород, пластовых вод и наличия многолетнемерзлых пород рекомендуются ГЖС, в составе которых есть полимеры (ГИПАН, КМЦ), электролиты (KCl) при значении t от 28 до 131 мин. Во всех вышеперечисленных случаях предусматривается, что кратность пены K_t = 10.

Таблица 7.3