Дезинтеграторный способ приготовления шлам-лигниновой промывочной жидкости для алмазного бурения в осложненных условиях

Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. №2 (39) 2011 УДК 622.24:541:519

ДЕЗИНТЕГРАТОРНЫЙ СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШЛАМ-ЛИГНИНОВОЙ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ

А.И.Ламбин1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83.

Представлены результаты исследования свойств дисперсий шлам-лигнина, получаемых дезинтегратор-ной их обработкой. Показаны положительные свойства дисперсий как промывочных жидкостей для алмазного бурения в осложненных условиях. Ил.1. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: дисперсная система; скважина; вязкость; показатель фильтрации; механическая скорость; связанная вода.

DISINTEGRATING METHOD FOR THE PREPARATION OF SLIME-LIGNINE MUD FOR DIAMOND DRILLING IN COMPLICATED CONDITIONS

A.I.Lambin

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article presents the study results of properties of slime-lignine dispersions obtained by disintegrating treatment. It demonstrates positive properties of dispersions as muds for diamond drilling in complicated conditions.

1 figure. 5 sources.

Key words: dispersion system; chink; viscosity; filtration index; mechanical speed; bound water.

Способ приготовления дисперсных систем, используемых в качестве промывочных жидкостей для бурения скважин, влияет на их выходные показатели. Основными характеристиками таких жидкостей являются показатель фильтрации и вязкость. Однако специфика бурения разведочных скважин малого диаметра алмазным породоразру-шающим инструментом, когда в геологическом разрезе скальные породы пересекаются тектоническими разломами и трещинами значительной мощности, заполненными видоизмененными породами, в основном, глинистого содержания, выдвигает в ряд основных показателей жидкости ее кольматирующую и ингибирующую (по отношению набухания глинистых минералов) способности.

Алмазное бурение снарядами со съемными керноприемниками требует дополнительно от промывочной жидкости такого показателя, как ее высокая про-качиваемость в условиях малых зазоров между стенками скважины и трубами ССК или КССК (снаряды со съемными керноприемниками). Большая протяженность малого зазора вызывает значительные гидравлические сопротивления при движении восходящего потока промывочной жидкости, приводящие к высоким напряжениям в циркуляционной системе в целом и на стенках скважины в местах слабых неустойчивых пород в частности. Последнее обстоятельство может приводить к гидроразрывам и потере циркуляции жидкости.

:Ламбин Анатолий Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, e-mail: burenie @istu.edu

Lambin Anatoly - Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Engineering, tel.: (3952)405278, e-mail: burenie @istu.edu

Кроме того, эффективность алмазного бурения зависит от наличия в промывочной жидкости поверхностно активных добавок, что, как известно, повышает эффект Ребиндера, заключающийся в понижении прочности горных пород за счет плакирования их поверхности и проникновения поверхностно-активного вещества (ПАВ) в зону предразрушения и изменения трещино-стойкости последней. При этом увеличивается механическая скорость бурения, что свидетельствует также об увеличении буримости пород [4,5].

Всем этим требованиям удовлетворяет шлам-лигниновая промывочная жидкость (ШЛПЖ), приготавливаемая на основе шлам-лигнина - промышленного отхода Байкальского целлюлозно-бумажного комбината. Известен способ приготовления бурового раствора, содержащего шлам-лигнин, распущенный в каустической соде, заключающийся в смешивании в течение одного часа 912% шлам-лигнина с 2-3%-ным водным раствором каустической соды (№ОН) и последующем введении в полученную суспензию при 30-минутном перемешивании хлористого натрия (ЫЛС1) [1]. К недостаткам указанного способа приготовления ШЛПЖ следует отнести: высокое содержание шлам-лигнина и каустической соды, значительную продолжительность времени приготовления, пеннообразование[2].

Ингибирующая способность промывочной жидкости повышается с увеличением содержания в ней шлам-лигнина. Дополнительное повышение ингибирования достигается добавками различных солей. Экспериментальными исследованиями и испытаниями в производственных условиях выявлено оптимальное содержание шлам-лигнина в жидкости для проходки неустойчивых тектонических зон, которое составляет 5-6%.

Повышенное содержание каустической соды (рН > 10) увеличивает набухание глиносодержащих пород, что

отрицательно сказывается на устойчивости стенок скважины. Кроме того, повышенное рН сильно влияет на растворимость пластической смазки, которая наносится на бурильные трубы с целью снижения коэффициента трения при их вращении в скважине. При рН больше 9 смазка не удерживается на бурильных трубах и стенках скважины, что исключает ее применение.

Увеличенному содержанию шлам-лигнина и каустической соды в жидкости соответствует и ее высокая вязкость, что уменьшает механическую скорость бурения. Рост механической скорости связан с понижением вязкости промывочной жидкости, влекущем увеличение выноса продуктов разрушения из-под торца коронки, уменьшение перепада давления на породы забоя, сокращение массы частиц выбуренной породы, циркулирующих вместе с жидкостью и вторично измельчающихся под торцом коронки, за счет их лучшего отделения при очистке жидкости на поверхности.

Следующим следствием снижения вязкости промывочной жидкости на водной основе является увеличение ее показателя фильтрации, а вместе с ним и мгновенной фильтрации, ответственной за привнос ПАВ в зону предразру-шения. С уменьшением вязкости жидкости увеличивается подвижность активных компонентов, приводящая к пластифицированию поверхности породы и росту скорости трещинообразова-ния, что, несомненно, сказывается на увеличении механической скорости бурения. Такими активными компонентами как органического, так и неорганического происхождения обладает шлам-лигнин, и их действие максимально проявляется при минимальной вязкости ШЛПЖ[3].

С целью реализации вышеуказанных требований и совершенствования приготовления ШЛПЖ применена технология интенсивного воздействия на материал в поле высоких механических импульсов дезинтегратора.

Движением встречно вращающихся роторов дезинтегратора с частотой от 6000 до 12000 мин-1 создается линейная скорость до 150 м/с, которая сообщается частицам шлам-лигнина. Частицы за счет специального устройства роторов дезинтегратора приобретают нелинейный характер движения с изменением кинетической энергии, соизмеримой с межмолекулярными силами взаимодействия в обрабатываемом веществе. При этом дисперсионная среда также активируется. В результате резко изменяется соотношение связанной и свободной воды в дисперсной системе.

На рис.1,а-г представлены резуль-

Я. _ ^

а

1 ч/

таты криогенной съемки (через электронный микроскоп) дисперсии шлам-лигнина, где видно, что обработка дисперсии в миксере дает малый прирост связанной воды на волокнах целлюлозы.

Обработка дисперсии в дезинтеграторе дает существенное утолщение гидратной оболочки как на волокнах целлюлозы, так и на частичках гидра-аргиллита. Как известно, для снижения гидравлических сопротивлений потоков жидкости в закрытых каналах, характеризующихся большими числами Рей-нольдса (Яе > 10000), используют добавки высокомолекулярных полимеров, которые псевдолинеаризуют турбулент-

б

в

г

Рис.1. Результаты криогенной съемки (через электронный микроскоп) раствора шлам-лигнина: а - 1% шлам-лигнина, 0,01% №ОН, обработка в дезинтеграторе; б - 1% шлам-лигнина, 0,01% №ОН, обработка в миксере; в - 4% шлам-лигнина, 0,05% №ОН, обработка в дезинтеграторе; г - 4% шлам-лигнина, 0,05% №ОН, обработка в миксере

ность (эффект Томса).

Выявление эффекта, количественная оценка и его оптимизация в зависимости от содержания шлам-лигнина в промывочной жидкости производились с помощью капиллярного вискозиметра. Максимальное снижение гидравлических сопротивлений по сравнению с водой достигнуто при содержании шлам-лигнина в жидкости 0,8-1,05 и составило 88,7%.

С целью прогнозирования показателя фильтрации и рН ШЛПЖ при дез-интеграторной обработке поставлен полный факторный эксперимент типа 23, при обработке которого получены линейные зависимости этих показателей от содержания шлам-лигнина (Х1), щелочи (Х2) и числа циклов дезинтегрирования:

(Хз):Уф=14,5 - 2,9Х1 - 3,6Х2 - 2,0Хз, УрН = 10,4 - 0,8Х1+1,2Х2 - 0,1Хз.

Коэффициенты уравнений определяют вклад каждого из факторов в прогнозируемый показатель. Знаки при коэффициентах показывают направленность действия каждого из факторов.

Существенное снижение показателя фильтрации при малом содержании шлам-лигнина объясняется образованием большого числа частиц в единице объема, а с уменьшением размеров частиц материала активность его увеличивается за счет свежеобразованной поверхности. Эта активность проявляется в сорбировании воды на поверхности частиц шлам-лигнина, что вызывает изменение соотношения свободной и связанной воды в сторону увеличения последней.

Таким образом, установлено, что применение дезинтегратора позволяет снизить расход шлам-лигнина и каустической соды при приемлемых показателях ШЛПЖ, повысить эффективность разрушения пород и снизить гидравлические сопротивления.

Библиографический список

1. .Авт. свид. №1067024,С09К 7/02 от11.05.82 г.

2. Коновалов В. С. Облегченный буровой раствор. Иркутск: ЦНТИ, 1987. 4 с.

3. Ламбин А.И.,Гаврилов С.Н. Требования к свойствам шлам-лигниновой промывочной жидкости для алмазного бурения в осложненных условиях и совершенствование технологии ее приготовления // Геофизические методы поисков и разведки. Технология и техника геологоразведочных работ, горное дело: материалы междунар. научн.-техн. конф. «Горно-геололгическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства». Томск: Изд-во ТПУ, 2001. С.232-235.

4. Нескоромных В. В., Ламбин А. И., Пушмин П.С. Экспериментальные исследования буримости анизотропной горной породы // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: сб. тр. науч.-техн. конф. Иркутск, 2005. Вып. 5. С.310-316.

5. Нескоромных В. В., Ламбин А. И., Пушмин П.С. Лабораторные исследования формирования и развития зон предразрушения в горных породах // Сб. тр. науч.-техн. конф. Ир-

кутск, 2005. Вып. 5. С. 316-320. Рецензент: кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета А.В.Карпиков