Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Турицына М.В. 1, 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный горный университет», Санкт-Петербург, Россия
Проведено исследование химико-физических и технологических свойств растворов поверхностно-активных веществ, полимерных растворов и газожидкостных промывочных смесей на их основе. Изучение краевого угла смачивания и поверхностного натяжения на границе раздела «раствор – воздух» проводилось с помощью системы анализа формы капли EasyDrop при комнатной температуре и атмосферном давлении. Исследованы пенообразующая способность растворов и кинетика разрушения газожидкостных смесей, получаемых при их перемешивании. В качестве материалов для приготовления растворов использовались поверхностно-активные вещества (сульфонол, лаурилсульфат натрия, ЛАБС натрия, ОП-7), полимеры (карбоксиметил крахмал КМК-БУР-2, полиакриламид ПАА FP-107, биополимер «Комета-Метеор»), глицерин (в качестве регулятора вязкости), вода. Предложены составы растворов для приготовления газожидкостных смесей в соответствии с предъявляемыми требованиями.
бурение скважин
промывка
поверхностно-активные вещества (ПАВ)
газожидкостные смеси (ГЖС)
физико-химические и технологические свойства
1. Мураев Ю. Д. Газожидкостные системы в буровых работах. СПГГИ (ТУ). СПб., 2004, 123 с.
2. Рязанов Я. А. Энциклопедия по буровым растворам. - Оренбург: Издательство «Летопись», 2005. - 664 с.
3. Турицына М. В. Обоснование использования газожидкостных смесей для профилактики поглощений при бурении скважин // Научные исследования и инновации. Пермь: Издательство Пермского государственного технического университета, 2011. Т. 5, № 2. С. 61-63.
4. Турицына М. В. Первичное вскрытие пластов с аномально низкими давлениями. Теория и практика современного состояния вопроса // Научное издание «Севергеоэкотех-2011». - Материалы XII международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2011» (16-18.03.2011г., Ухта): В 5 ч. Ч. 2. - Ухта: УГТУ, 2011. С. 62-65.
5. Яковлев А. А. Научно-практические основы технологии бурения и крепления скважин с применением газожидкостных промывочных и тампонажных смесей. Дисс... докт. техн. наук. - СПб., 2001. 249 с.
Введение

Бурение скважин и их промывка в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД) сопряжены с рядом сложностей, в особенности, с точки зрения создания необходимого перепада давлений, для предотвращения проникновения фильтрата бурового раствора в пласт и его загрязнения. Снижение давления в скважине достигается за счет снижения плотности жидкости промывки. Наиболее эффективного снижения плотности очистного агента можно достичь применением газожидкостных смесей (ГЖС). Несущая способность ГЖС в 7-10 раз больше, чем воды, и возрастает с уменьшением объёмной доли жидкости. При этом улучшаются условия очистки скважины от шлама в результате сочетания гидродинамической силы потока с эффектом флотации шлама [2].

Получаемые ГЖС должны удовлетворять следующим требованиям: обладать технологическими параметрами, обеспечивающими вскрытие пластов с АНПД; быть стабильными в течение одного цикла промывки скважины, разрушаясь после этого, для обеспечения очистки раствора от шлама; обладать способностью повторного пенообразования для осуществления последующих циклов промывки с целью обеспечения экономической и экологической эффективности бурения.

Обобщая указанные требования, можно заключить, что рецептура пенореагента должна включать [1, 3, 5]:

  • вспениватель и собиратель (неионогенное, амфолитное или анионактивное ПАВ);
  • органический полимер для  повышения стабильности пены;
  • реагент для нейтрализации солей кальция и магния для смягчения жесткости воды;
  • реагент для повышения структуры смеси и повышения её несущей способности;
  • гидрофобизатор по отношению к пластовому флюиду и горным породам.  

В данной работе представлены результаты лабораторных исследований физико-химических (поверхностное натяжение и краевой угол смачивания на границе раздела «раствор - воздух») и технологических свойств растворов (кратность, устойчивость, кинетика разрушения газожидкостной смеси, время истечения жидкости из ГЖС и др.).

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры бурения скважин СПГГУ. Исследовались растворы следующих ПАВ: ОП-7, сульфонол, лаурилсульфат натрия, линейный алкил бензол сульфат натрия (ЛАБС натрия), бинарные составы сульфонола, ЛАБС натрия и лаурилсульфата натрия в различных сочетаниях и концентрациях.

В работе также приведены результаты исследования полимерных промывочных жидкостей и ГЖС на их основе. Изучены ГЖС, с точки зрения способности повторного пенообразования, для осуществления последующих циклов промывки скважины.

Исследование растворов поверхностно-активных веществ

Изучение краевого угла смачивания и поверхностного натяжения на границе раздела «раствор - воздух» проводилось с помощью системы анализа формы капли EasyDrop. 

Измерение межфазного натяжения осуществлялось между жидкостью и воздухом при комнатной температуре при атмосферном давлении. Образец (раствор ПАВ) помещался в шприц в устройстве и за несколько секунд устанавливался в правильном положении относительно камеры. С помощью системы одиночного дозирования из шприца выдавливалась капля раствора до момента отрыва от иглы, регулируемая подсветка и система наведения резкости с 6-и кратным увеличением обеспечивала оптимальные условия изображения капли, после этого камера записывала цифровое изображение. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Исходя из условия, что краевой угол смачивания должен быть более 90 ºС для обеспечения наименьшего проникновения раствора в породу, по результатам исследования формы капель все рассматриваемые ПАВ удовлетворяют этому условию. С точки зрения снижения поверхностного натяжения минимальные значения этого параметра отмечены у бинарных смесей ПАВ (ЛАБС натрия 0,05-0,1 % + лаурилсульфат натрия 0,05-0,1 %) и растворов с высокой концентрацией монореагентных ПАВ (до 0,2 %).

Таблица 1. Физико-химические свойства ПАВ на границе раздела «раствор - воздух», полученные на системе анализа формы капли EasyDrop методом «висящей капли»

№ п/п

Поверхностно-активные вещества и их концентрация в растворе (%)

Краевой угол смачивания θ, град

Поверх-ностное натяжение σ, мН/м

Объём капли, мкл

Площадь капли, мм2

Длина капли, мм

1.

Сульфонол (0.2 %)

119,2

27,25

3,57

11,02

0,755

2.

Сульфонол (0.2 %) + лаурилсульфат натрия (0.1 %)

121,2

29,92

3,90

11,70

0,753

3.

Лаурилсульфат натрия (0.1 %)

119,6

33,97

4,46

12,93

0,675

4.

Лаурилсульфат натрия (0.2 %)

119,7

28,00

3,67

11,30

0,702

5.

ЛАБС натрия (0.1 %)

116,3

27,21

3,58

11,16

0,671

6.

ЛАБС натрия (0.2 %)

115,7

30,15

4,00

12,05

0,662

7.

ЛАБС натрия (0,1 %) + лаурилсульфат натрия (0,1 %)

115,7

28,47

3,78

11,64

0,590

8.

ЛАБС натрия (0,05 %) + лаурилсульфат натрия (0,1 %)

120,1

27,33

3,59

11,13

0,747

9.

ЛАБС натрия (0,1 %) + лаурилсульфат натрия (0,05%)

119,6

27,60

3,64

11,27

0,743

10.

ЛАБС натрия (0,05 %) + лаурилсульфат натрия (0,05%)

117,6

26,66

3,50

11,00

0,702

11.

ОП-7 (0,1 %)

120,1

33,79

4,29

12,62

0,742

12.

ОП-10 (0,2 %)

118,9

30,69

4,07

12,13

0,628

Изучение кинетики разрушения ГЖС проводились в лаборатории кафедры бурения скважин. Пенообразующую жидкость (ПОЖ) в количестве, необходимом для проведения эксперимента, заливали в мерный цилиндр. Раствор перемешивали в течение 30 с и фиксировали объем полученной пены в цилиндре, замеры уровня раствора производились каждые 300 с. Кратность пены вычисляли как отношение полученного объёма (в см3) пены к объёму пенообразующей жидкости. За результат испытания принималось среднее арифметическое трех определений кратности пены [5].

По результатам исследования кинетики разрушения газожидкостных смесей (табл. 2), полученных на основе пресных растворов ПАВ, наилучшие показатели зафиксированы у трёх растворов: лаурилсульфата натрия 0,2 %, ЛАБС натрия 0,2 % и смеси ПАВ сульфонола 0,2 % + лаурилсульфата натрия 0,1 %. Эти растворы также обладают лучшей устойчивостью во времени (рис. 1). Худшие показатели отмечены у растворов сульфонола 0,2 % и лаурилсульфата натрия 0,1 %.

Таблица 2. Кинетика разрушения газожидкостных смесей, полученных из растворов ПАВ

Поверхностно-активные вещества и их содержание (%)

Подъем пены (см3) за 30 с

Объём столба пены (см3) за время наблюдения, с

300

600

900

1200

1500

1800

Сульфонол (0,2 %)

397

382

360

324

274

263

246

Лаурилсульфат натрия (0,2 %)

773

752

741

736

736

736

733

Лаурилсульфат натрия (0,1 %)

357

299

283

273

262

248

238

Лаурилсульфат натрия (0,1 %) + Сульфонол (0,2 %)

778

736

733

719

717

704

697

ЛАБС натрия (0,2 %)

763

732

728

718

717

712

704

ЛАБС натрия (0,1 %)

542

508

504

494

486

478

471

ЛАБС натрия (0,1 %) + Лаурилсульфат натрия (0,1 %)

756

713

700

698

691

687

680

ЛАБС натрия (0,05 %) + Лаурилсульфат натрия (0,1 %)

734

674

658

653

638

633

627

ЛАБС натрия (0,1 %) + Лаурилсульфат натрия (0,05 %)

730

678

659

657

644

636

636

ЛАБС натрия (0,05 %) + Лаурилсульфат натрия (0,05 %)

652

593

589

583

579

568

560

ОП-7 (0,1%)

177

157

147

133

117

110

97

ОП-10 (0,2%)

193

177

163

147

140

133

120

Бинарные составы ПАВ (ЛАБС натрия + лаурилсульфат натрия в различных сочетаниях) также обладают хорошей пенообразующей способностью за счёт их комплексного воздействия и усиливающего эффекта. Достаточной для приготовления ГЖС пенообразующей способностью обладает смесь анионактивных ПАВ: лаурилсуфат натрия (0,05-0,1 %) и ЛАБС натрия (0,05-0,1 %).

Растворы смесей анионактивных ПАВ эффективно понижают величину поверхностного натяжения и являются гидрофобизаторами твердой фазы, способствуют получению устойчивых ГЖС. Пенообразующую способность ПАВ значительно улучшают стабилизирующие добавки (крахмал, высокомолекулярные акриловые полимеры, биополимеры до 0,2-1,0 %) за счет повышения дисперсности и устойчивости пены, при этом повышается вязкость растворителя (воды) и замедляется процесс истечения из пленок.

Рисунок 1. Разрушение газожидкостных смесей, полученных из растворов ПАВ

Исследование растворов поверхностно-активных веществ

Проведены исследования по изучению технологических свойств полимерных буровых промывочных жидкостей и газожидкостных смесей на их основе (кинетика разрушения, кратность, устойчивость и др.). Исследовались смеси, которые включали в себя следующие компоненты: растворы анионактивных ПАВ (лаурилсульфат натрия, ЛАБС натрия), полимеры-структурообразователи (ПАА FP 107, КМК-БУР-2, «Комета-Метеор»), регулятор вязкости (глицерин). В таблице 3 представлены экспериментально полученные показатели смесей, с которыми был проведён весь комплекс планируемых измерений.

Таблица 3. Измеренные и рассчитанные параметры растворов и газожидкостных смесей на их основе

№ Раствора

Плотность пенообразую-щего раствора, кг/м3

Плотность ГЖС средняя на начало цикла промывки, кг/м3

Плотность ГЖС средняя на конец цикла промывки, кг/м3

Коэффициент разрушения пены

Газосодержание

Устойчиво-сть ГЖС, с/см3

Поверхностное натяжение «раствор - воздух», мН/м

Группа составов 1: Вода + Лаурилсульфат Натрия + ЛАБС Натрия + Глицерин + ПАА FP-107

1

1007

298

353

0,82

0,70

4,36

29,62

3

1005

218

253

0,85

0,78

5,00

27,07

4

1012

250

295

0,83

0,75

5,72

31,42

5

1013

283

329

0,84

0,72

9,28

30,39

9

1004

266

300

0,87

0,74

21,34

29,30

Группа составов 2: Вода + Лаурилсульфат Натрия + ЛАБС Натрия + Глицерин + «Комета-Метеор»

2

1011

400

652

0,52

0,60

1,90

46,56

6

1008

221

269

0,80

0,78

4,86

30,28

7

1021

207

268

0,75

0,80

7,72

31,01

8

1013

240

312

0,74

0,76

4,22

32,41

Группа составов 3: Вода + Лаурилсульфат Натрия + ЛАБС Натрия + Глицерин + КМК-БУР-2

10

1012

213

255

0,82

0,79

9,24

31,58

11

1013

201

247

0,79

0,80

6,00

29,97

Комплексный состав: Вода + Лаурилсульфат Натрия + ЛАБС Натрия + Глицерин + ПАА FP-107 + КМК-БУР-2

12

1018

298

350

0,82

0,71

12,00

31,12

Все представленные в таблице 3 растворы обладают способностью повторного пенообразования. При этом следует отметить, что, с точки зрения структуры получаемых ГЖС, группа растворов 2 (за исключением 7-го состава) при приготовлении разделяется на 2 составляющие - жидкостную и газожидкостную (на рис. 2 представлена кинетика выделения жидкости из смеси, в т.ч. в момент приготовления), что отрицательно сказывается на качестве приготовляемых смесей. У остальных составов (кроме 1-го) при получении ГЖС прослеживается однородная структура во всем объёме смеси.

Как отмечено ранее, ГЖС должны быть стабильными в течение одного цикла промывки скважины, разрушаясь после этого, для обеспечения качественной очистки раствора от шлама. После остановки циркуляции выделение 50 % жидкости (см. рис. 2) происходит в течение 5-8 минут практически у всех составов (кроме 9-го и 12-го), увеличение этого времени до 10-20 минут (как у составов 9 и 12) ненамного задержит время очистки ГЖС от шлама. Но при этом позволит проводить непродолжительные остановки циркуляции в процессе бурения со снижением опасности проникновения раствора в продуктивный горизонт.

Рисунок 2. Кинетика выделения жидкости из газожидкостной смеси

В течение 30 минут после прекращения циркуляции ГЖС (после вывода из скважины с целью очистки) из всех смесей выделяется 75-95 % жидкости. Это позволяет после очистки от шлама при небольших потерях пенообразующего раствора (при соответствующей дообработке необходимым количеством реагентов) продолжить промывку скважин, оставив пену на поверхности (в приемных емкостях, либо специально для этого отведенных резервуарах) для её полного разрушения.

Заключение

Результаты исследований показали, что смеси ПАВ обладают большей пенообразующей способностью по сравнению с монореагентными за счет того, что они усиливают действие друг друга в растворе. Кратность пен раствора этих ПАВ выше суммы кратностей пен растворов отдельных (монореагентных), что позволяет рационализировать процесс приготовления растворов за счет экономии исходного сырья. Хорошими показателями, с точки зрения пенообразования, обладает смесь анионактивных ПАВ лаурилсуфат натрия (0,05-0,1 %) и ЛАБС натрия (0,05-0,1 %).

В результате проведённых исследований доказано, что ввод в качестве реагента стабилизатора высокомолекулярного акрилового полимера ПАА FP 107 в количестве до 0,1 % позволяет получить стабильные газожидкостные смеси, обладающие пенообразующей способностью при повторном перемешивании после разрушения пен. При использовании в качестве стабилизатора карбоксиметил крахмала КМК-БУР-2 (до 0,1 %) также обеспечивается хорошая стабильность получаемых составов, в том числе при использовании этих реагентов в комплексе.

Для получения более полной картины о разрабатываемых составах необходимо провести комплекс исследований реологических свойств, проникающей способности растворов в горные породы (в т.ч. в продуктивные горизонты) и взаимодействия с ними.

Рецензенты:

  • Яковлев А. А., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики Санкт-Петербургского государственного горного университета, г. Санкт-Петербург.
  • Осецкий А. И., доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, академик РАЕН, главный технолог Управления минерально-сырьевых ресурсов ОАО «Полиметалл УК», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Турицына М.В., Турицына М.В. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6065 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074