Исследования и оценка остаточных продуктов кимических производств с позиций регулирования свойств промывочных жидкостей при геологоразведочном Бурении :

Краткое описание

Оглавление

стр.

Введение 5

Глава 1. Анализ направлений совершенствования технологии промывки 9 скважин при геологоразведочном бурении и постановка задач исследований

1.1. Требования, предъявляемые к функциональному назначению промы- 9 вочных жидкостей

1.2. Промывочные жидкости для геологоразведочного бурения и пути на- 23 правления их совершенствования

1.3. Постановка задач исследований 3 5 Глава 2. Методика экспериментальных исследований 37

2.1. Оценка ингибирующих свойств 3 8

2.2. Оценка смазочных свойств промывочной жидкости 40

2.3. Контроль структурно-реологических параметров 41

2.4. Флотационная активность 44

2.5. Пенообразующая способность 45

2.6. Коррозионная активность 45 Глава 3. Исследование остаточных продуктов и их влияние на свойства 48 промывочных жидкостей

3.1. Продукты нефтеперерабатывающей промышленности 48

3.2. Продукты лесоперерабатывающей промышленности 54

3.3. Продукты масложировой промышленности 63

3.4. Продукты химической промышленности 64

3.5. Функциональные свойства исследуемых продуктов 69

3.5.1. Смазочная активность 69

3.5.2. Ингибирующие и диспергирующие свойства 72

3.5.3. Структурно-реологические характеристики 75

3.5.4. Модификация глинопорошков 78

f

3

3.5.5. Анализ результатов исследований 86

Глава 4. Исследование и разработка композиций промывочных жидкостей 93 с использованием таллового пека и лигнина Усть-Илимского ЛПК

4.1. Характеристика продуктов 93

4.1.1. Технология получения таллового лигнина Усть-Илимского ЛПК 95

4.1.2. Технология получения таллового пека Усть-Илимского ЛПК 96

4.1.3. Характеристика омыленного таллового лигнина Усть-Илимского 97 ЛПК

4.2. Исследование свойств таллового пека и лигнина Усть-Илимского 99 ЛПК в составах буровых промывочных жидкостей

4.2.1. Смазочная активность 99

4.2.2. Коррозионная активность 101

4.2.3. Ингибирующая способность 102

4.2.4. Пенообразующие свойства 103

4.2.5. Стабильность эмульсий в жестких и минерализованных водах 105

4.2.6. Нитрованные продукты 106 4.2.7.Флокулирующая активность 109

4.2.8. Исследование свойств полимерных и малоглинистых растворов 110

4.2.9. Санитарно-гигиеническая оценка продуктов таллового пека и лиг- 113 нина

Глава 5. Методические рекомендации по применению промывочных жид- 114 костей для геологоразведочного бурения на основе таллового пека и таллового лигнина

Выводы 124

Библиографический список 127

Приложение 1. Результаты производственных испытаний промывочных жидкостей с добавками остаточных продуктов химпроизводств Приложение 2. Результаты предварительных испытаний добавки ОТЛ (производства Усть-Илимского ЛПК) к промывочным жидкостям.

4

^, Расчет экономической эффективности

Приложение 3. Результаты приемочных испытаний ОТЛ в составах промывочных жидкостях при геологоразведочном бурении Приложение 4. Технические условия. Лигнин талловый омыленный
Введение

Введение

Интенсификация процессов геологоразведочного бурения, применение прогрессивных технологий алмазного бурения определяют повышенные требования к технологии промывки скважин, используемым видам очистных агентов и их технологическим параметрам, техническим средствам приготовления и регенерации, методике регулирования свойств в процессе приготовления и циркуляции.

Увеличение объемов бурения глубоких геологоразведочных скважин (до 3000м), применение алмазного пород оразрушающего инструмента, эффективно работающего при частоте вращения снаряда до 1600 мин ~\ уменьшение зазора между колонной бурильных труб и стенками скважины, применение съемных керноприемников обусловливают дополнительные требования к составам промывочных жидкостей.

Желательно, чтобы промывочные жидкости содержали в своем составе компоненты из многотоннажных и недефицитных продуктов химической промышленности, для снижения транспортных расходов выпускались преимущественно в твердом виде, были технологичны при приготовлении и совмещались с широко применяемыми в геологоразведочном бурении химическими реагентами, при этом удовлетворяли санитарно-гигиеническим требованиям и не загрязняли окружающую среду.

Недостаточный ассортимент и объемы серийного производства эффективных смазочных и противоизносных добавок, реагентов, снижающих набухание глинистых пород, ограничивают совершенствование промывочных жидкостей для высокочастотного алмазного бурения. Разработанные ВИТРом эмульсолы и концентраты ЭЛ-4, ЭН-4, Ленол-10, Ленол-32, Морозол-2 содержат в своем составе дефицитные материалы и выпускаются в недостаточном для отрасли количестве. Наиболее полно требованиям геологоразведочного бурения удовлетворяют эмульсионные, полимерные, полимер-эмульсионные, полимер-глинистые промывочные жидкости на основе полифункциональных pea-

f

6 гентов, регулирующих одновременно несколько качественных показателей.

В связи с практическими потребностями геологоразведочного бурения, вызванными осуществлением крупного организационно-технического мероприятия - переходом при разведке твердых полезных ископаемых на бурение скважин малого диаметра, и соответствующим перевооружением отрасли, весьма актуальным является разработка методических рекомендаций и регламентация составов промывочных жидкостей для любых геолого-гидрохимических условий. Проблема сегодня заключается, главным образом, в рациональном использовании уже имеющихся химических реагентов и создании новых, полифункциональных, регулирующих одновременно несколько качественных технологических показателей промывки скважины и разработанных на основе недефицитных, легкодоступных и многотоннажных остаточных продуктов химической промышленности, образующихся в регионах концентрации буровых работ и позволяющих сократить транспортные расходы.

Научно обоснованный подход к решению вопросов оптимизации компонентного состава, основанный на изучении совместимости реагентов и имеющихся сырьевых возможностей, целенаправленном выборе рабочих концентраций для конкретных условий бурения (гидрогеологических, геолого-технических), разработке методических руководств или инструкций по технологии промывки, позволяет создать эффективные полифункциональные промывочные системы.

Характерные особенности таких систем: значительная экономия реагентов, высокая смазочная способность, устойчивость к солевой агрессии, стабилизирующее действие на неустойчивые горные породы при сохранении реологических и гидравлических параметров - позволяют прогнозировать их высокую экономическую эффективность в широком диапазоне условий геологоразведочного бурения. За критерий оптимизации номенклатуры промывочных агентов целесообразно принять время сооружения скважины и стоимость одного метра бурения.

f

7

Анализ обеспеченности химическими реагентами и материалами геологоразведочных организаций Восточной Сибири и Дальнего Востока по большинству производственно-геологических объединений региона свидетельствует не только об ограниченной номенклатуре применяемых реагентов, но и, главным образом, о недостаточном, всего лишь на 50-60% удовлетворяющем потребности, объеме поставок.

Использование отходов и остаточных (многотоннажных) продуктов химических производств или их производных в процессе бурения не только экономически обоснованно, но и позволяет решить вопросы утилизации отходов и сохранения экологического равновесия природной среды.

Кроме того, применение этих продуктов снижает стоимость реагентов, что в условиях рыночной экономики и платного недро-пользования становится превалирующим фактором. В настоящее время доля государственного участия в геологоразведочных работах (включая НИР, сбор, обработку, хранение информации) составляет порядка 20% [57] и имеет тенденцию к снижению. В период реформирования отечественной геологоразведочной отрасли конъюнктура рынка, видимо, будет определять поиск буровыми предприятиями наиболее дешевого сырья для получения промывочных жидкостей. В этом плане исследования по оценке остаточных продуктов химпроизводств для получения и регулирования свойств промывочных жидкостей актуальны, а разработка новых эффективных реагентов и постановка их на производство расширяет сырьевую базу химически активных добавок [31].

Во многих отраслях промышленности: химической, нефте- и лесоперерабатывающей, масложировой и др. - образуется огромное количество различных отходов и побочных продуктов, большая часть которых уничтожается или вывозится в отвалы. На утилизацию таких отходов приходится более 8-10% стоимости основной продукции. В утилизации отходов заинтересованы как отрасли, где они образуются, так и отрасли, где они могут быть использованы. С одной стороны, это освобождает предприятие от обременительных от-

ходов производства, хранение которых, как правило, связано с существенными затратами и загрязнением окружающей среды. С другой, смягчает напряжен- ность в расширении ассортимента химических реагентов для использования их по другому функциональному назначению, в частности, материалов для бурения скважин, расширяет сырьевую базу, улучшает размещение производства, высвобождает земли, используемые для утилизации (захоронения) [67].

Глава 1. Анализ направлений совершенствования технологии про- мывки скважин и постановка задач исследований.

1 • 1. Требюшши^ ^редъявляем^ ных .жидкостей.

Многообразие геолого-технических условий бурения геологоразведочных скважин требует разработки и применения высокоэффективных исходных материалов и реагентов с различными технологическими и физико-химическими свойствами. Реагенты являются главными средствами химической обработки промывочных жидкостей (ПЖ), обеспечивающими направленное изменение их технологических свойств.

На современном этапе развития техники и технологии бурения совершенствование технологии промывки настолько существенно, что выбору параметров промывки и показателей свойств раствора уделяют первостепенное значение.

В соответствии с условиями бурения скважин на твердые полезные ископаемые технология промывки постоянно совершенствуется, поскольку должна обеспечивать наиболее оптимальные режимы работы вновь создаваемых технических средств и способов бурения.

В настоящем обзоре целесообразно рассмотреть направления и способы совершенствования составов ПЖ для высокочастотного алмазного бурения как наиболее прогрессивного и обеспечивающего наилучшие технико - экономические показатели при бурении скважин.

Несоответствие видов и параметров очистного агента геолого-техническим условиям бурения является причиной возникновения тех или иных осложнений, приводящих к значительным затратам средств, материалов и времени на их предупреждение и ликвидацию.

В практике бурения скважин на твердые полезные ископаемые можно выделить следующие наиболее характерные виды геологических осложнений и причины, обусловливающие их (рис. 1.1, 1.2).

t

10 Причины возникновения геологических осложнений и их взаимосвязь

1.1

г

TTU

1.8

П

и_Г

1.3

л

±L

¦¦2 Г

"IT

¦¦4 Г

¦¦¦ r

¦¦- Г

Механическое воздействие колонны бурильных труб

Механическое воздействие потока промывочной жидкости

Гидростатическое и гидродинамическое давление столба промывочной жидкости

Химическая эрозия

Осмос

Горное давление

Геотермический градиент горных пород и перепад температур______________________

Увлажненность горных пород

12 .—-- Перемеживаемость горных пород по твёрдости

Углы наклона скважины и залегания горных пород

Естественная трещиноватость, кавернозность и пористость_____________________

Тектонические нарушения (раздробленность и перемятость горных пород)____________

Минералогический состав горных пород

Минерализация горных пород, пластовых и поровых жидкостей

Несоответствие видов и параметров очистного агента геолого-техническим условиям бурения

1,3

1.7

1.10

1.6

т

Vui

TI

I'-n

1H1

-| 1.12

fH

•1

"Т!

J 1.8

-11Л1

nuo

4.2

Рис. 1.1

1.1 Обрушение стенок скважины

о

1.2 Растепление многолетнемёрзлых пород

1.3 Желобообразование

1.4 Выщелачивание солевых поропластов

1.5 Размывание слабосвязанных пород

1.6 Гидроразрыв пласта

п •а

о о

1.7 Коркообразование

1.8 Набухание пород

1.9 Сальникообразование

1.10 Образование шламовых пробок

1.11 Вытекание пластичных глин

1.12 Промерзание

К)

•а

4.1 Поглощение промывочной жидкости

4.2 Водопроявления при вскрытии напорных горизонтов

4.3 Межгорзонтальный переход пластовых жидкостей переток

¦а

о о

3

тз

1

р

тз о

г

Е а

?!

о

i

5t

га Е

I

1

CS

U

f

12

Наиболее значительные затраты времени приходятся на борьбу с осложнениями, связанными с нарушением целостности ствола скважины, которые отмечаются в процессе всего углубления скважины [45]. Можно также отметить многообразие причин возникновения этого вида осложнений и их взаимосвязь, что соответственно требует целого комплекса мероприятий по их предупреждению. Характерно, что большинство причин действуют дифференцированно, то есть являются следствием не одного, а нескольких типов геологических осложнений.

Знакопеременные нагрузки, которые испытывает колонна бурильных труб и ее элементы в процессе бурения, в значительной степени переносятся на околоствольное пространство, способствуя тем самым потере устойчивости ствола, каверно- и желобообразованию, искривлению трассы скважины и разрушению керна. ПЖ, облегчающие работу колонны, должны обладать хорошими проти-воизносными, смазочными свойствами, должны создавать упругие пленки на стенках скважины, иметь хорошую адгезию к металлу бурильных труб и горным породам.

Механическое воздействие потока ПЖ проявляется в размывании слабосвязанных пород и их цемента, и как следствие этого происходит обрушение стенок и зашламование скважины. В этом случае, с точки зрения минимально возможного механического воздействия на слабосвязанные породы, наиболее эффективно применение пен.

Гидростатическое и гидродинамическое давление столба ПЖ в процессе бурения и СПО также определяют устойчивость стенок скважины, регулируют фильтрационные процессы, затрудняют разбуривание пород, могут вызвать гидроразрыв пласта, чем способствуют вскрытию каналов ухода ПЖ. Давление столба ПЖ зависит от содержания твердой фазы, ее состава и концентрации, показателей реологических свойств: удельного веса, плотности, статического и динамического напряжения сдвига раствора.

t

г

13

Химическая эрозия определяется физико-химическими явлениями, проис-ходящими на стенках скважины при взаимодействии их с фильтратом ПЖ. Эти процессы зависят от вида, состава и параметров применяемых растворов, минералогического состава горных пород, а также химического состава пластовых жидкостей. Однозначного ответа на механизм проявления физико-химических процессов не получено, да, видимо, этого и не будет, поскольку многообразие условий взаимодействия промывочных систем и комплекса пород определяет и многообразие форм их проявления. Можно отметить, что в результате химической и термической эрозии происходит растворение пород, цементирующего материала, солей, льда, набухание пород, разрушение связей, изменение структуры и состава как околоствольного пространства, так и ПЖ, проникновение свободной воды в межплоскостное пространство и в решетки минералов. Из параметров ПЖ, оказывающих определяющее влияние на химическую эрозию, следует отметить рН среды (во всех случаях целесообразно применять растворы с рН не более 8-9) и ингибирующие свойства раствора.

Осмотические явления также могут способствовать нарушению целостности ствола скважины. При несоответствии минерализации промывочной, пластовой и поровой жидкостей и наличии полунепроницаемой перегородки (мембраны) могут происходить необратимые процессы, приводящие к увлажнению пород и развитию значительных осмотических давлений.

Горное давление (горизонтальное, вертикальное, боковое) может явиться следствием деформации пород при их вскрытии, особенно при наличии в разрезах увлажненных, пластичных глин, аргиллитов.

Температура горных пород значительно осложняет процесс бурения, что особенно характерно для многолетнемерзлых пород и гидротермальных скважин. При высоких забойных температурах повышается проникающая активность ПЖ, изменяются пластичность, предел текучести и твердость пород, проявляются дополнительные напряжения и остаточные деформации, увеличивается поровое пространство, значительно ухудшаются параметры растворов.

14

При отрицательных температурах стенок скважин и положительных температурах очистного агента возможно растепление пород, образование каверн, обвалов и осыпание стенок скважин [99].

Увлажненность горных пород в ряде случаев определяет их устойчивость при разбуривании. Исследования работ ряда авторов [13, 25] подтверждают рост пластических деформаций у увлажненных пород по сравнению с сухими, при этом отмечается, что глинистые сланцы (метаморфизованная глина в сухом состоянии) обладают почти всеми свойствами скальных пород, но при насыщении их влагой могут быстро разрушаться. Кроме глинистых пород могут терять устойчивость и другие, например гипс, у которого в сухом состоянии деформация не изменяется, а в увлажненном - при напряжении растет во времени, то есть у гипса появляется способность к ползучести. Увлажненность (влагона-сыщенность) также оказывает существенное влияние на механические свойства мерзлых пород. При определенной влажности (меньше полной влагонасыщен-ности) сопротивление сжатию для всех мерзлых пород возрастает [56].

Перемеживаемость горных пород по твердости, углы падения скважины и залегания горных пород - это факторы, которые в основном способствуют искривлению ствола скважины и желобообразованию.

Естественная трещиноватостъ, кавернозность и пористость могут являться причинами нарушения циркуляционного режима промывки, образования рыхлой глинистой корки, способствовать изгибу колонны, искривлению скважины.

Тектонические нарушения (раздробленность, перемятость пород) определяют обвалы стенок скважин при их обнажении, значительно осложняют получение кондиционного выхода керна.

Минералогический состав горных пород в основном регулирует физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии с ПЖ. Чаще всего кавернообразование наблюдается в пластах, сложенных глинами, глинистыми сланцами, аргиллитами, алевролитами, углем и каменной или калийной солью.

t

Г

15

Осадочные горные породы имеют различные физико-химические свойства: от мягких, хорошо смачиваемых - гидрофильных до твердых - гидрофобных. В ряде случаев (например, при разбуривании каменной соли) степень взаимодействия пород с водой настолько высока, что в скважине образуются высококонцентрированные истинные водные растворы.

Минерализация горных пород, пластовой и поровой жидкости, агрессивно воздействует на параметры ПЖ и, как было отмечено выше, способствует проявлению осмотических явлений.

Несоответствие видов и параметров очистного агента геолого-техническим условиям бурения зачастую является причиной возникновения того или иного вида осложнений. Нет необходимости подробно останавливаться на этом вопросе, поскольку он подробно рассматривается в трудах многих исследователей [68, 11, 91].

Из приведенной классификации геологических осложнений и причин, их обусловливающих, следует, что наиболее серьезными по своим последствиям являются осложнения, связанные с нарушениями целостности ствола скважины. Первостепенную роль здесь оказывает оптимальное регулирование свойств ПЖ, особенно в предупреждении таких осложнений, как обвалы, набухание пород, вытекание пластичных глин, которые могут привести к потере ствола скважины или значительным затратам времени на их ликвидацию.

Опыт бурения также показывает, что технико-экономические показатели проходки скважины зависят не только от применяемого оборудования, типа по-родоразрушающего инструмента, режима бурения, но и от способа и режима промывки, технологических свойств бурового раствора. Поскольку свойства ПЖ для конкретных геолого-технических условий являются предопределяющими для всего процесса сооружения скважины — целесообразно рассмотреть и сформулировать требования, предъявляемые к очистным агентам для геологоразведочного бурения.

Наиболее важным показателем ПЖ является плотность, которая взаи-

f

16

мосвязана с содержанием твердой фазы в растворе. Исследования [28] и практика буровых работ показывают, что механическая скорость бурения снижается пропорционально росту гидростатического давления. Известно также, что ПЖ равных плотностей, вязкости и фильтрации оказывались неравноценными при использовании их для промывки скважин из-за разного содержания в них твердой фазы. Поэтому не безразлично, как регулируется плотность ПЖ: большими добавками коллоидных глин, мела, известняка или небольшими добавками утяжелителя [63]. В практике бурения главной задачей является не снижение плотности, а доведение до минимума перепада между гидростатическим и пластовым давлением. Опыт бурения скважин в США показывает, что эффективность растворов с малым содержанием твердой фазы резко возрастает по мере снижения ее концентрации и исчезает, если она превышает 7% [27]. Кроме того, применение малоглинистых жидкостей обеспечивает лучшую буримость пород, которая определяется интегральным влиянием вязкости, содержания твердой фазы и дифференциального давления [40]. При алмазном геологоразведочном бурении скважин малого диаметра и наличии в разрезах пород со значительно меньшим пластовым давлением, чем при бурении нефтяных скважин, ПЖ должна иметь плотность, близкую к плотности воды, при этом сохранять остальные качественные показатели. Отсюда основная тенденция в разработке рецептур растворов - снижение содержания (вплоть до полного исключения) твердой фазы и разработка составов аэрированных ПЖ и пен.

Роль фильтрации ПЖ в процессе бурения неоднозначна. С точки зрения разрушения горной породы на забое, целесообразно иметь максимально возможное значение фильтрации, поскольку в этом случае фильтрат раствора облегчает условия скалывания и отрыва частиц под породоразрушающим инструментом за счет действия расклинивающих сил и выравнивает давлениев околоствольном пространстве. Однако проникновение фильтрата ПЖ в горные породы способствует также их разупрочнению. Кроме того, при использовании глинистых растворов с высокой фильтрацией на стенках скважины образуются

17

толстые, рыхлые, коагуляционные корки, которые осложняют процесс бурения. Очевидно, оптимальным является решение поддерживать лишь технологически обусловленный уровень фильтрации, определяемый конкретными условиями бурения. Необходимо интегральный показатель фильтрации выбирать из условий повышения устойчивости ствола - стремиться к его уменьшению. Показатель же мгновенной фильтрации (количество фильтрата, полученного за малый отрезок времени) - стремиться увеличивать и приближать к значению интегральной фильтрации. Такой подход к выбору показателей фильтрации дает наибольшие экономические выгоды, так как при минимально осложненном стволе скважины улучшаются условия бурения.

Показателями структурно-реологических свойств растворов являются вязкость и предельное статическое и динамическое напряжение сдвига. Регулированием этих параметров выполняется ряд основных функций раствора: очистка породоразрушающего инструмента и забоя скважины от шламов выбуренной породы, вынос шлама на поверхность, предотвращение поглощений ПЖ. В процессе бурения эти показатели можно контролировать по затратам мощности на прокачивание. Для создания оптимальных условий высокочастотного алмазного бурения желательно иметь ПЖ, резко изменяющие свою вязкость с изменением скорости движения потока. При этом в зоне разрушения горных пород раствор должен иметь минимальную вязкость, тем самым качественно очищать забой от шламов выбуренных пород и увеличивать ее при снижении скорости движения в затрубном пространстве. Критерии оценки влияния этих свойств на эффективность процесса бурения приведены в табл. 1.1 [100].

Во всех случаях реологические параметры раствора должны обеспечивать удержание шлама выбуренных пород во взвешенном состоянии.

t

*

Список литературы