Исследование реологических параметров полисахаридов в буровых растворах

Автор: Зайнуллина А.Ш., Песириди Я.Ю.

Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu

Рубрика: Естественные науки

Статья в выпуске: 4 (113), 2016 года.

Бесплатный доступ

Применение природных полисахаридов в буровой отрасли является одним из важных направлений повышения качества строительства скважин и технологий. Ингибирующая способность буровых растворов на полисахаридной основе обезвоживает и укрепляет ствол скважины, что исключает обвалы и осыпи породы. Буровые растворы на основе природных полисахаридов обладают специфическими свойствами и, в частности, оказывают флоккули-рующие воздействия на шлам выбуренной породы. Предложенные буровые растворы биоразлагаемы и не требуют дополнительных мер для утилизации.

Буровые растворы, полисахариды, гидрогели, реологические пара-метры, влияние солей

Короткий адрес: https://sciup.org/140204885

IDR: 140204885

Текст научной статьи Исследование реологических параметров полисахаридов в буровых растворах

Буровой раствор является комплексной дисперсной системой, состоящей из нескольких компонентов. Данная система объединяет суспензионные, эмульсионные и аэрированные жидкости, которые используются в целях промывки скважин в процессе бурения [1].

Для конкретных условий бурения необходимо подбирать оптимальный тип промывочной жидкости. Причиной этому является неспособность определенного вида бурового раствора одинаково эффективно выполнять весь перечень функций и соответствовать всем видам условий.

Важными реологическими свойствами (характеристиками, по которым определяется качество) бурового раствора являются:

  •    условная вязкость;

  •    пластичная вязкость;

  •    показатель фильтрации.

Достаточный уровень условной вязкости бурового раствора необходим для того, чтобы выносить частицы выбуренной породы на поверхность скважины. Если частицы ос- таются в скважине, они начинают поглощать буровой раствор, что крайне нежелательно. Тем не менее, слишком высокая вязкость оказывает негативное влияние на очищение бурового раствора, т.к. способствует повышению гидравлического сопротивления в циркуляционной системе скважин. Показатель пластичной вязкости оказывает прямой эффект на процесс бурения, т.к. характеризует внутреннее трение слоев дисперсионных сред, диспергированных частиц и межфазовое взаимодействие.

Показатель фильтрации косвенно характеризует способность буровых растворов фильтровать определенные элементы жидкой фазы. Эта величина определяется количеством дисперсионной среды, которая проходит сквозь фильтр под воздействием перепада давления за определенную единицу времени [2-3].

С применением качественного бурового раствора, заданного состава и свойств, производится одновременное успешное вскрытие отложений, отличающихся по характеру возможных осложнений. Таковыми могут быть водо- и газопроявляющие горизонты и неустойчивые глины, надсолевые, солевые и подсолевые отложения.

Полисахариды применяются в нефтяной отрасли как реагенты для выравнивания фронта заводнения, в качестве буровых растворов, промывочных и тампонажных жидкостей.

Ксантан (ксантановая камедь/смола) -наиболее известный микробный полисахарид. Ксантан характеризуют как внеклеточный микробный экзополисахарид, синтезируемый бактериями Xanthomonascampestris, образующийся в виде покрытия на каждой бактерии.

Объекты и методы исследований

Объектами исследования были водные растворы ксантана с концентрациями от 0,2 до 0,5 г/дл.

В ходе работы были использованы соли, такие как NaCl, KCl, CaCl 2 , MgCl 2 при различных нормальностях.

Для эксперимента были использованы общепринятые методы определения физикохимических свойств.

Вискозиметрический метод Уббелоде (Ubbelohde –Viskosimeter 501 11).

Метод сканирующей электронной микроскопии РЭМ JSM-6490LV.

Исследование реологических параметров предложенных буровых растворов, RHEOLABQC фирмы AntonPaar (Австрия) в интервале температур 25^70 ° С.

Измерение рН среды растворов проводили с помощью рН-метра “Mettler-Toledo МРС-227” (Швейцария) при комнатной температуре.

Значения СНС определяли на приборе СНС – 2.

Показатель фильтрации промывочных жидкостей определяли на приборе ВМ-6.

Толщину фильтрационной корки измеряли на приборе ВИКА ИВ-2.

Результаты и их обсуждение

Температура оказывает значительное влияние на реологические свойства полисахаридов.

В ходе исследования были взяты растворы ксантана с концентрациями 0.05; 0.075; 0.1 г/дл. На рисунке 1 изображены кривые, которые характеризуют изменение вязкости водных растворов с увеличением температуры от 25 до 70°С.

Рисунок 1. Влияние температуры на приведенную вязкость растворов ксантана;

При увеличении температурыу водного раствора полисахарида ксантана (рис. 1) наблюдается плавное снижение приведенной вязкости при 35°С, при 40°С вязкость растворов принимает исходное состояние. Данное явле- ние характеризуется устойчивостью ионных сил межмолекулярных водородных связей.

На рисунке 2 представлено изменение вязкости ксантана (с концентрацией 0,1 г/дл) с изменением концентрации солей NaCl, KCl, MgCl 2 , CaCl 2.

Рисунок 2. Влияние солей на вязкость растворов ксантана.

Влияние солей NaCl, KCl, CaCl 2 и MgCl 2 на вязкость 0.2% раствора ксантана (рис. 2) показало, что с повышением содержания солей NaCl, KCl и CaCl 2 кривая зависимости η уд /С – С соли проходит через максимум, положение и ширина которого зависит от природы катиона. Такое специфичное действие низкомолекулярных катионов, по-видимому, обусловлено различной природой связи между катионами солей и макромолекулами полисахарида ксантана.

Свойства 0,2% раствора ксантана в интервале температур 25-40 0 С описываются законом Бингама-Шведова, поскольку при показателе n 1,0 величина τ 0 >0. В области t ≥ 50 0 С кривые течения подчиняются степенному закону Оствальда-де Ваале.

Буровые растворы (БР) должны иметь высокую вязкость при низких скоростях сдвига и низкую вязкость при высоких скоростях сдвига. Это необходимо для удержания выбу- ренной породы во взвешенном состоянии при остановке бурения и низкое сопротивление течению при циркуляции БР, чтобы не создавать дополнительное давление на проницаемые пласты в кольцевом пространстве скважины. Применительно к псевдопластичным жидкостям это условие реализуется при показателе нелинейности n=0,1-0,3 и наличии тиксотропии[4-5].

Исследовано влияние рН среды на реологические характеристики растворов ксан-тана (табл. 1). Растворы ксантана в интер-вале рН=6,5÷9,5 проявляют псевдопластичное поведение, а максимальные значения К (вязкости) и напряжения сдвига получены при рН=7,5. Увеличение времени между повторными экспериментами с 1 до 10 минут ведет к повышению значений τ 0 и К. Это означает, что растворы ксантана обладают тиксотропными свойствами.

Таблица 1 – Изменение реологических параметров растворов полисахарида ксантана в зависимости от рН среды при 25 ° С через 1 и 10 минут нахождения раствора в покое.

рН

состав

Реологические параметры

Модель Хершеля-Балкли, 1 мин

Модель Хершеля-Балкли, 10 мин

τ 0 , Па

K, Пa·с

n,

R 2

τ 0, Па

K, Пa·с

n

R 2

6,5

ксантан, 1%

0

0,209

0,838

0,987

0,107

1,124

0,744

0,927

7,5

0

11,309

0,322

0,999

0

17,549

0,253

0,998

8,5

0

5,414

0,414

0,996

0

13,173

0,262

0,998

9,5

0

8,837

0,322

0,995

0

13,092

0,257

0,998

Раствор ксантана с общей концентрацией раствора 1% является структурированной жидкостью с предельным динамическим напряжением сдвига. При этом наблюдается существенное различие в реологических характеристиках раствора при рН=6,5 и рН ≥ 7,5, что может быть обусловлено формированием гидрогелевых интерполимерных комплексов.

Заключение

Исследования показали, что ксантан проявляет устойчивость к высоким температурам и действию солей.

Проведенный анализ показал, что гидрогели на основе ксантана проявляют прочностные свойства к деформации.

В буровых растворах полисахарид ксан- тан проявляет себя как структообразователь.

Статья научная