CC BY
27
УДК 622.2
Ю.Д.МУРАЕВ, д-р техн. наук, профессор, [email protected] Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
U.D.MURAEV, Dr. in eng. sc., professor, [email protected]
National Mineral Resources University (University of Mines), Saint Petersburg
МИКРОФОТОГРАФИИ БУРОВЫХ ПЕН КАК СРЕДСТВО РАСШИРЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Представлены некоторые результаты изучения свойств газожидкостных смесей, и в частности, пен, которые находят широкое применение при бурении на нефть, газ и твердые полезные ископаемые.
Ключевые слова: скважина, буровой раствор, горная порода, микрофотография.
MICROPHOTOGRAPHY OF DRILLING FOAM AS A MEANS OF EXPANDING OF INFORMATION CONTENT IN SCIENTIFIC
RESEARCH
Some results of research of properties of foams which find widespread of application in field of oil, gas and geological prospecting drilling.
Key words, well, drilling mud, rock, microphotography.
Применение газожидкостных смесей, и в частности, пен в бурении обеспечивает снижение аварийности и увеличение механической скорости бурения, обеспечивает работу в зонах водопоглощения и в условиях многолетнемерзлых пород, обеспечивает очистку скважины от шлама и повышает работоспособность колонны бурильных труб. В этой связи изучение свойств структурированных пенных систем остается по-прежнему актуальной задачей.
Изменения физического состояния массива пены, связанные с особенностями микроструктуры пленочных поверхностей, влияют на физические свойства всей системы, в частности, на ее реологию, триботех-нические свойства, способность удерживать минеральные частицы. В этой связи представляет интерес изучение поведения пенных структур под микроскопом; это дает возможность визуально наблюдать некото-
рые особенности строения и поведения пленочных массивов.
Исследования проводились в СПГГИ на микроскопе Axioplan 2 фирмы Zeiss Jena GmbH с разрешающей способностью до х1600, связанном с компьютером. Использовалась пена сложного состава: триэтано-ламин + стеариновая кислота + лаурилсуль-фат натрия, обеспечивающая высокую стабильность образца и низкий уровень коа-лесценции пузырьков.
Основным структурным элементом пены являются газовые пузырьки, которые, соединяясь, образуют единую псевдокристаллическую систему. Пространственная структура массива пены определяется плот-нейшей упаковкой пузырьков. Расчеты В.В.Кротова показали, что «средний» многогранник в пене представлен пентагональ-ным додекаэдром, то есть выпуклым 14-гранником, и количество граней со време-
_ 75
Санкт-Петербург. 2012
Рис. 1. Поверхность пены на контакте с покровным стеклом
Рис.2. Структура контактных зон
Рис.3. Негативное изображение массива пены
нем снижается в связи со стеканием жидкости по каналам Плато-Гиббса и в связи с диффузионным переносом вещества через пленки.
По нашим наблюдениям в процессе сте-кания жидкости по каналам структура массива пены в основном не изменяется, а количество граней в пузырьках возрастает по мере их слияния. То есть более крупные пузырьки имеют большее количество граней, чем мелкие, а отсутствие ярко выраженных углов между гранями создает у пузырьков овальную форму. В результате стекания жидкости остается хрупкий каркас, сложенный компонентами пенообразующего раствора.
Поскольку поверхностные натяжения пленок у одинаковых пузырьков равны, монослой полиэдрической пены, помещенной между двумя пластинками, должен иметь правильную структуру с гексагональной упаковкой; в реальной пене одновременно встречаются пузырьки в форме пятигранника и четырехгранника (тетраэдра) (рис.1).
На представленном рисунке видны границы нескольких слоев пузырьков.
Повышение разрешающей способности микроскопа позволило зафиксировать трехслойную структуру контактной зоны между каждой парой пузырьков: все контактные поверхности пленок (толщиной от 3 до 40 мкм) разделяются соизмеримыми по толщине прослойками жидкости, которая поступает из каналов Плато-Гиббса и обеспечивает скольжение пленок при их взаимном перемещении (рис.2).
Изучение различных образцов под микроскопом показало, что в статике массив пены представляет собой структурированную систему, в которой крупные пузырьки располагаются не хаотично, а являются центрами, вокруг которых располагаются более мелкие. Происходит сортировка газовых ячеек по размерам, так что в конечном итоге пузырьки, дифференцируясь по крупности, образуют правильную равновесную кристаллографическую структуру, обладающую определенной прочностью, как и всякое кристаллическое тело (рис.3).
Представленная микрофотография (негативное изображение) демонстрирует упорядоченную структуру участка пенного массива, архитектура которого определяется
только силами межмолекулярного взаимодействия. На изображении видно, что мелкие пузырьки располагаются упорядоченно вокруг крупных, создавая равновесную структуру в объеме пены. Обращает на себя внимание равномерность распределения в пространстве центров относительно крупных пузырьков и упорядоченность размещения мелких диаметром в сотые и тысячные доли миллиметра.
Очевидно, что подобная структура возможна только при отсутствии динамических нагрузок. Любое динамическое воздействие, превышающее предел упругости системы, приведет к тому, что жидкостная прослойка между пузырьками потеряет свою сплошность, пленки при взаимном контакте начнут разрушаться, будет нарушено электростатическое равновесие, и это приведет к изменению всей структуры системы.
Газожидкостная смесь представляет собой совокупность пузырьков разных радиусов. В реальных условиях бурения размер пузырьков изменяется на несколько порядков в зависимости от давления в скважине. Расчеты и опытные данные показывают, что в скважинах геолого-разведочного стандарта (диаметр бурения 93-46 мм) с увеличением глубины возрастает влияние гидростатического давления среды. Повышение давления в призабойной части определяет насыщение пены в основном мелкими, в пределах сотых и тысячных долей миллиметра в диаметре пузырьками.
При этом наиболее мелкие пузырьки внедряются в узлы Плато-Гиббса и между пленок соседних пузырьков. Гидростатическое давление в газожидкостной смеси значительно увеличивается, вся система представляет собой дисперсию газа в растворе ПАВ и по своим физическим свойствам (плотность, вязкость, упругость) приближается к жидкости.
Начиная с глубины 500-600 м и до поверхности, свойства газожидкостной смеси все в большей степени соответствуют газовым законам. При этом скорость движения потока возрастает, и структура пены в основном определяется фракционным составом пузырьков.
_ 77
Санкт-Петербург. 2012
Рис.4. Шлам горной породы в массиве пены
Представляет интерес реальное соотношение пузырьков различных диаметров при циркуляции ГЖС. Для замеров отбирались пробы пены, выходящей из скважины при бурении, с помощью градуированной оптической системы с ценой деления 0,2 мм определялся диаметр пузырька и производился пересчет полученных результатов с учетом давления по стволу скважины.
Минимально необходимое количество измерений определялось в соответствии с существующей методикой математической обработки результатов экспериментальных работ с использованием эмпирического стандарта
1 п
S = Л1 — Е (х - х )2,
1 п - 1 I=1
где п - количество замеров; - значение замера; х - среднее арифметическое.
По результатам анализа составленного вариационного ряда была построена диаграмма интервальных вариационных рядов, из которой следует, что основной объем пены на поверхности представлен пузырьками диаметром от 2 до 4 мм. Отсюда можно сделать вывод, что в призабойной зоне, характеризующейся давлениями в 10-20 кгс/см , максимальный диаметр газовых пузырьков в ГЖС не более 0,5 мм, и система представляет собой некое подобие газовой эмульсии в растворе ПАВ.
Для условий бескернового бурения при средней механической скорости 2,5 м/ч в скважине диаметром 0,076 м на 1 см3 шлама обычно приходится не менее 500 см3 сжатой пены, что приблизительно на порядок больше, чем при пенной флотации. Кроме того, частицы шлама группируются в основном в каналах Плато-Гиббса или в непосредственной близости от них и в таком положении выносятся на поверхность (рис.4).
Происходящее при этом сужение каналов препятствует перетеканию жидкости между пузырьками, что приводит к повышению стабильноси пены, повышает упругость всей системы и создает устойчивый восходящий поток газо-жидкостной смеси.
С учетом реального давления при бурении можно считать, что представленная на рисунке структура массива пены со шламом соответствует ее состоянию в бурящейся скважине.
