МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ДАВИДЕНКО Олександр Миколайович

УДК 622.244.001.8

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ

КОМПЛЕКСНОГО ВПЛИВУ

ПРОМИВНИХ РІДИН

НА ПРОЦЕСИ ПРИ БУРІННІ СВЕРДЛОВИН

Спеціальність 05.15.10 – "Буріння свердловин"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Дніпропетровськ

2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі техніки розвідки родовищ корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, доцент

КОЖЕВНИКОВ Анатолій Олександрович,

професор кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин Національної гірничої академії України

(м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

МОСКАЛЬОВ Олександр Миколайович,

професор кафедри гірничих машин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

доктор технічних наук, професор

ОГОРОДНИКОВ Петро Іванович,

завідувач департаментом природничих наук і нафтової інженерії Міжнародного науково-технічного університету (м. Київ) Міністерства освіти і науки України

доктор технічних наук, професор

МИСЛЮК Михайло Андрійович,

професор кафедри буріння нафтових і газових свердловин Івано-Франківського технічного університету нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: ВАТ "Український нафтогазовий інститут" Міністерства палива та енергетики України (м. Київ), науковий відділ

Захист відбудеться "28" березня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19, тел. 47 24 11)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19

Автореферат розісланий "27" лютого 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Успішний розвиток економіки України неможливий без могутньої мінерально-сировинної бази, для створення якої необхідне збільшення обсягів і продуктивності основного виду геологорозвідувальних робіт – буріння свердловин.

Виробничий цикл буріння свердловин різного призначення складається з великої кількості трудомістких, енергомістких, складних і дорогих процесів: руйнування гірської породи на вибої; видалення зруйнованої породи з-під торця породоруйнівного інструменту і транспортування її на поверхню; підтримки стінок свердловини в стійкому стані; спуска і підйому бурового інструменту та ін.

Ефективність цих процесів у значній мірі залежить від способу і режиму циркуляції і властивостей промивних рідин, вибір яких визначається екологічними і технологічними вимогами до них, а також гірничо-геологічними умовами буріння.

Аналіз досвіду буріння свердловин різного призначення показав, що високі техніко-економічні показники окремих процесів і всього циклу в цілому можуть бути досягнуті тільки при створенні методики вибору високоякісних промивних рідин і удосконаленої технології їхнього застосування в сполученні із сучасним устаткуванням і інструментом.

Технологія створення і застосування промивних рідин при бурінні свердловин постійно удосконалюється. З ростом глибин і ускладненням гірничо-геологічних умов при бурінні свердловин висуваються нові додаткові вимоги до властивостей промивних рідин, способу і режиму їхньої циркуляції.

Останнім часом значно збільшилася кількість робіт, присвячених використанню водяних розчинів поверхнево-активних речовин (ПАР) при бурінні свердловин, як одного з найбільш перспективних наукових напрямків у цій області. Встановлено, що ПАР можуть впливати на енергомісткість процесу руйнування гірських порід, стійкість породоруйнівного інструменту, стінок свердловини, реологічні властивості дисперсних систем, тощо.

Разом з цим, у такій важливій справі, як створення методики вибору складу промивних рідин, технології їх приготування і застосування, які забезпечують підвищення ефективності різних процесів при бурінні свердловин, переважає емпіричний підхід, тобто відсутнє наукове обґрунтування комплексного підходу до вирішення цих задач.

Асортимент дисперсних систем, які застосовують у різних галузях промисловості, у тому числі і при бурінні свердловин, обумовлює необхідність проведення глибоких і всебічних досліджень по вивченню фізико-хімічних явищ, які можуть бути використані при створенні, приготуванні та застосуванні промивних рідин, і їхнього впливу як на окремі процеси, так і на весь цикл буріння свердловин.

Вирішенню цієї актуальної наукової проблеми, що має важливе народногосподарське значення, і присвячена дисертаційна робота.

Дисертаційна робота виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Національної гірської академії України і республіканської програми "Швидкість", яка затверджена Держкомгеології України (№ 018600072063, № 01880015613, № 01890026548, № UA01010141Р, № 0194U002930) в галузі підвищення ефективності та ресурсозбереження при бурінні свердловин, по яким автор дисертації був відповідальним виконавцем та керівником.

Мета роботи – встановлення сутності фізико-хімічних явищ, які відбуваються на поверхні гірських порід і бурового інструменту при взаємодії з промивними рідинами, і обґрунтування їхнього комплексного впливу на ефективність процесів при бурінні свердловин.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі поставлені такі завдання:

1. Розробити методику вибору компонентів промивної рідини, що вибірково хемосорбуються на поверхні гірських порід і бурового інструменту;

2. Комплексно вивчити і встановити закономірності впливу промивних рідин на підвищення ефективності руйнування гірських порід, зносостійкості бурового інструменту і стійкості стінок свердловин;

3. Провести теоретичні й експериментальні дослідження впливу кінетичних і термодинамічних аспектів вибіркової хемосорбції речовин зі складу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин;

4. Провести теоретичні й експериментальні дослідження для встановлення області ефективного застосування в складі промивних рідин речовин, що вибірково хемосорбуються на твердих тілах;

5. Розробити на основі єдиної наукової концепції рекомендації з вибору оптимальних конструктивних параметрів бурових снарядів і породоруйнівних інструментів для буріння свердловин, які забезпечують необхідні режими і параметри циркуляції промивних рідин і містять речовини, які вибірково хемосорбуються.

Об'єкт дослідження – процеси при бурінні свердловин.

Предмет дослідження – механізм впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин.

Методи досліджень: для дослідження і оптимізації впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин використовувався метод аналізу і узагальнення науково-технічних досягнень. Теоретичні дослідження грунтуються на застосуванні методів математичного та фізичного моделювання, функціонального аналізу. чисельних методів рішення. Вплив промивних рідин на фізико-механічні властивості та енергомістксть руйнування гірських порід вивчався з використанням основних законів фізико-хімії поверхневих явищ і механіки руйнування. Для оцінки антикорозійних та антифрикційних властивостей промивних рідин були використані методи теорії тертя та корозійних процесів. Експериментальні дослідження виконано за методикою повного факторного експерименту, а обробку результатів – за методиками математичної статистики з використанням ЕОМ.

Основна ідея роботи полягає у використанні основних положень фізики твердого тіла, механіки руйнування і фізико-хімії поверхневих явищ при вивченні механізму взаємодії промивних рідин з гірськими породами і буровим інструментом, які дозволяють розширити можливості промивних рідин, а також обгрунтувати застосування фізичних і хімічних ефектів для підвищення техніко-економічних показників процесів при бурінні свердловин.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. Речовини, які вибірково хемосорбуються на поверхні гірських порід і бурового інструменту, обумовлюють ефективність впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин;

2. На хемосорбційне зниження міцності та енергомісткості руйнування гірських порід при бурінні свердловин значно впливає транспортний механізм кінетичного аспекту цього процесу;

3. Покриття. які утворюються на поверхні бурового інструменту при вибірковій хемосорбції речовин зі складу промивних рідин запобігають корозії і підвищують зносостійкість пар тертя;

4. Вибіркова хемосорбція речовин зі складу промивних рідин на глиняних породах приводить до зниження їх осмотичного та кристалічного набухання. що впливає на стійкість стінок свердловин при бурінні;

5. Згасання енергії електромагнітних коливань надвисокої частоти в дисперсній фазі та дисперсійному середовищі характеризує зміни, які відбуваються у будові гідратних оболонок системи під впливом вибіркової хемосорбції речовин.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше теоретично й експериментально обгрунтовано, що вибіркова хемосорбція речовин зі складу промивних рідин на поверхні гірських порід і бурового інструменту є основною при впливі на процеси при бурінні свердловин. Підтверджено положення про те, що вибір речовин, які вибірково хемосорбуються зі складу промивних рідин, необхідно здійснювати за умовою рівності потенціалів іонізації адсорбенту й адсорбату;

2. Уперше показано, що на транспортний механізм кінетичного аспекту хемосорбційного зниження міцності та енергомісткості руйнування гірських порід, який є головним у цих процесах, істотно впливають реологічні властивості промивних рідин і способи подачі їх в зону руйнування;

3. Уточнені вихідні рівняння плоскої задачі течії промивної рідини по тріщинах та через отвори різної форми і запропоновані їхні нові точні рішення;

4. Розроблено наукові підходи до конструювання бурових снарядів і породоруйнівних інструментів, які забезпечують використання ефекту Ребіндера при бурінні свердловин;

5. Уперше запропоновано використовувати для контролю за станом гідратної оболонки дисперсних систем електромагнітні коливання надвисокої частоти.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, основних висновків і рекомендацій підтверджується великою кількістю аналітичних і експериментальних робіт з вивчення впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин, яка базується на фундаментальних положеннях фізики твердого тіла, механіки руйнування гірських порід, фізико-хімії поверхневих явищ і багатофакторного кореляційного аналізу з застосуванням ЕОМ; задовільною збіжністю результатів теоретичних, натурних і експериментальних досліджень (розбіжність не перевищує 17%); достатньою апробацією наукових положень і висновків; успішним упровадженням результатів у виробництво.

Наукове значення роботи полягає в тому, що для умов буріння свердловин різного призначення запропонований подальший розвиток положень механіки руйнування гірських порід і фізико-хімії поверхневих явищ, зокрема, уточнений механізм процесів, які відбуваються на границях розділу гірська порода-промивна рідина і породоруйнівний інструмент-промивна рідина; встановлений кореляційний зв'язок між чинними факторами і властивостями гірських порід і бурового інструменту; обгрунтований механізм впливу промивних рідин на процес руйнування гірських порід, стійкість бурового інструменту і стійкість стінок свердловин; визначений вплив технологічних факторів на характер цих механізмів; розроблені наукові основи прогнозування якісних і кількісних показників процесів при бурінні свердловин з урахуванням впливу промивних рідин; теоретично обгрунтована й експериментально підтверджена необхідність обліку термодинамічного і кінетичного аспектів при прояві ефекту адсорбційного зниження міцності гірських порід (ефект Ребіндера); розроблені наукові підходи до конструювання бурових снарядів і породоруйнівних інструментів, які забезпечують підвищення ефективності процесів при бурінні свердловин; запропонована науково обгрунтована методика вибору поверхнево-активних речовин до промивних рідинам, які вибірково хемосорбуються на гірській породі і буровому інструменті; наданий науковий прогноз застосування результатів роботи в інших галузях промисловості.

Практичне значення роботи складається в розробці науково обгрунтованих рекомендацій з вибору і застосуванню промивних рідин, які забезпечують комплексний вплив на процеси при бурінні свердловин (зниження енергоміскості процесу руйнування гірських порід, підвищення стійкості породоруйнівного інструменту і стінок свердловини); у розробці на рівні винаходів нових рецептур промивних рідин, бурових снарядів і породоруйнівних інструментів, упровадження яких забезпечило підвищення техніко-економічних показників буріння свердловин; у використанні результатів досліджень у навчальному процесі при підготовці і перепідготовці фахівців у Національній гірничій академії України.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи у виробництві і навчальному процесі. Результати виконаних досліджень використані при виконанні науково-дослідних тем ОБ-2.1, 040512, 040516, 040518 і ГП-84 і республіканської програми "Швидкість", яка затверджена Держкомгеології України. На основі розроблених за участю автора інженерних методик були проведені промислові випробування промивних рідин у ДГП "Південукргеологія", "Полтаванафтогазгеологія", "Чернігівнафтогазгеологія" і "Ворошиловградгеологія".

Результати досліджень використані в навчальному процесі при читанні лекцій і проведенні лабораторних і практичних занять, курсовому і дипломному проектуванні студентам спеціальності "Технологія і техніка розвідки РКК" і слухачам курсів підвищення кваліфікації.

Декларація особистого внеску здобувача в розробку наукових результатів, винесених на захист. Автором самостійно сформульовані мета і задачі дослідження, ідея роботи, наукові положення, висновки і рекомендації з роботи. розроблено методики проведення досліджень впливу вибіркової хемосорбції на процеси при бурінні свердловин. Розроблена методика вибору поверхнево-активних речовин, як добавок до промивних рідин, які вибірково хемосорбуються на поверхнях розподілу фаз і сприяють підвищенню ефективності процесів при бурінні свердловин.

Впровадження результатів дисертаційної роботи в практику буріння геологорозвідувальних свердловин відбувалося при особистій участі здобувача.

Апробація роботи. Основні положення, наукові і практичні результати дисертаційної роботи розглядалися на науково-технічних радах Держкомгеології України (1980-1997 р.р.), на науково-технічних конференціях вузів (ДГІ 1990 р., ДГТУ 1996 р., НГАУ 1998, 1999 р.), на наукових семінарах (ДХТУ 1999 р.), засіданнях кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин Національної гірничої академії України, на курсах підвищення кваліфікації фахівців при НГА України. Результати роботи експонувалися на виставці передового досвіду народного господарства України.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 62 друкованих працях, у тому числі монографій – 4, брошур – 1, статей – 16, авторських свідоцтв – 18, доповідей і тез доповідей – 17, депонованих статей – 6.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, восьми розділів, основних висновків, списку використаних джерел з 199 найменувань і 7 додатків. Основний текст роботи викладений на 325 сторінках машинописного тексту і містить 81 малюнок і 40 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан питання. Мета і задачі досліджень

Промисловість України відчуває потребу у високоякісному вугіллі, залізній, марганцевій і поліметалевій руді і, особливо, у нафті та газу. Забезпечити її цими корисними копалинами можна за рахунок збільшення обсягів буріння свердловин з високими техніко-економічними показниками. Для вирішення цієї важливої проблеми було здійснено аналіз кращого вітчизняного і закордонного досвіду, який дозволив зробити висновок про те, що промивні рідини, за участю яких протікають технологічні процеси, які складають виробничий цикл буріння свердловин можуть істотно впливати на значення механічної і рейсової швидкості, проходки на породоруйнівний інструмент, виникнення різного роду ускладнень, тощо. На рис. 1 приведена якісна залежність механічної швидкості проходки свердловин від основних показників властивостей промивної рідини, яка отримана після обробки результатів практичних спостережень у СРСР, США, Україні, Канаді й інших країнах.

Встановлено, що для виконання великої кількості функцій у різних геолого-технічних умовах промивні рідини повинні мати властивості, які визначаються їх компонентним і частковим складом.

Значний внесок у створення промивних рідин і розробку технологій їхнього приготування і застосування в різних геолого-технічних умовах внесли вчені: Агабальянц Є.Г., Ангелопуло А.К., Баранов В.С., Городнов В.А., Грєй Дж. Р., Дарлі Г.С.Г., Дедусенко Г.Я., Жигач К.Ф., Жуховицький С.Ю., Зарипов С.З., Івачов Л.М., Кістер Є.М., Круглицький М.М., Кудряшов Б.Б., Ліпкес М.І., Марамзін О.В., Маріампольський Н.А., Мирзаджанзаде А.Х., Паус К.Ф., Ребіндер П.О., Резниченко І.М., Роджерс В.Ф., Рязанов Я.А., Шищенко Р.І, Епштейн Є.Ф., Яковлев А.М., Ятров С.М. та ін.

Разом з тим існують значні труднощі в вирішенні цієї проблеми, які пов'язані в першу чергу з відсутністю наукового обґрунтування комплексного підходу до вибору типу і складу промивних рідин, способів і режимів їхньої циркуляції.

У дисертації розглянуто існуючі гіпотетичні моделі і виконано аналіз впливу робочих середовищ на різні виробничі процеси (руйнування твердих тіл, змащення і знос, корозію тощо) і можливість їхнього застосування при бурінні свердловин.

Найбільш перспективним є пропозиція академіка П.О. Ребіндера і його школи застосовувати при бурінні свердловин спосіб адсорбційного зниження міцності твердих тіл з використанням поверхнево-активних речовин (ПАР), які можуть бути включені до складу промивних рідин на водяній основі. Механізм дії ПАР полягає в тому, що вони при адсорбції на поверхні твердих тіл зменшують їхню поверхневу енергію, а значить і роботу руйнування. Велику роль при цьому відіграють термодинамічні аспекти процесу, сутність яких полягає в тому, що енергія міжфазної взаємодії твердого тіла з робочим середовищем повинна бути того ж порядку, як і енергія зв'язку в самому твердому тілі. Значний вплив на руйнування твердих тіл чинять кінетичні аспекти. При деформуванні і руйнуванні утвориться зона передруйнування, вивченню якої приділене велика увага в роботах професора І.А. Свєшникова (ІНМ НАН України). Якщо процес проходить у неактивному середовищі, то після усунення руйнуючого зусилля мікротріщини зони передруйнування зникають під дією сил капілярної взаємодії. При використанні активних середовищ при деформуванні і руйнуванні, вони проникають у мікротріщини зони передруйнування й утворюють адсорбційні шари на їх поверхнях, перешкоджаючи змиканню, тому зона передруйнування залишається. Це приводить до збільшення обсягу активації згідно термофлуктуаційній гіпотезі С.М. Журкова. Для прояву впливу адсорбційних шарів необхідно, щоб процес руйнування періодично повторювався, і зона передруйнування мала можливість перетворюватися в зону руйнування.

Аналіз науково-технічних джерел, в яких наведено результати використання способу адсорбційного зниження міцності твердих тіл, якому була дана назва "ефект Ребіндера", у різних технологічних процесах, у тому числі і при бурінні свердловин, показав, що він може проявлятися в різних формах з урахуванням умов: підвищення крихкості при зниженні міцності; прискорення пластичної деформації; зменшення границі плинності і коефіцієнта деформаційного зміцнення; зменшення довговічності та інші. На кафедрі техніки розвідки РКК Дніпропетровського гірничого інституту під керівництвом професора Є.Ф. Епштейна було проведено дослідження з вивчення впливу добавок поверхнево-активних речовин до промивних рідин на техніко-економічні показники буріння свердловин. Встановлено, що введення ПАР сприяло збільшенню механічної швидкості буріння на 25-30 %, проходки за рейс на 20-25 %. Зроблена спроба розробити методику вибору ПАР до промивних рідин з урахуванням явища адсорбції, яка б дозволяла забезпечити підвищення продуктивності процесів при бурінні свердловин..

Це дає підставу вважати, що адсорбційні процеси можуть бути основними при вивченні питань, пов'язаних з руйнуванням гірських порід, підвищенням зносостійкості породоруйнівного інструменту і стійкості стінок свердловини, регулюванням реологічних характеристик промивних рідин тощо. У той же час, у такій важливій справі, як підбір і застосування поверхнево-активних речовин у різних технологічних процесах, у тому числі і при бурінні свердловин, в основному використовують емпіричний підхід і відсутні науково обгрунтовані методики, які б враховували термодинамічні і кінетичні аспекти цього явища.

Необхідно розвити нові підходи заглибленого вивчення проблеми для розуміння сутності процесів, що виникають при взаємодії робочого середовища зі знову утвореною поверхнею при деформуванні і руйнуванні, з використанням сучасних методів і техніки. Це дозволить розробити наукове обґрунтування комплексного впливу промивних рідин на водяній основі на процеси при бурінні свердловин, наукові і технічні рекомендації з їхнього ефективного використання.

Розділ 2. Дослідження адсорбційних властивостей гірських порід

Вплив промивних рідин на процеси при бурінні свердловин обумовлено, в основному, адсорбцією, що може носити фізичний чи хімічний характер. Для вивчення явищ, які протікають на границі розподілу гірська порода-промивна рідина, було застосовано метод ІЧ-спектроскопії, якій запропонували М.І. Урбах і Є.О. Нечаєв і в основі якого лежить принцип залежності утворення хімічних сполук від зв'язку між адсорбційним поводженням і електронною будовою адсорбенту й адсорбату. За допомогою даного методу досліджували адсорбцію окремих молекул речовин зі складу промивної рідини на визначених центрах гірських порід.

На основі вивчення геологічної характеристики родовищ корисних копалин України по раніше пробурених свердловинах обрані об'єкти дослідження: залізисті кварцити, які є найбільш міцними з усього комплексу гірських порід і вимагають значної енергії на руйнування, а також глиняні породи, які набухають і розмокають під впливом промивних рідин на водяній основі, що приводить до виникнення ускладнень при бурінні свердловин.

Експериментальними дослідженнями встановлено характер і інтенсивність адсорбції поверхнево-активних речовин різної природи (аніон- і катіонактивних, неіоногенних і їхніх сумішей) з водяних розчинів на залізистому кварциті. На ізотермі адсорбції ПАР було виділено чотири ділянки, які добре відповідають існуючим уявленням про ці процеси (рис. 2а).

З урахуванням свердловинних умов було також встановлено, що на адсорбцію ПАР впливає не тільки природа адсорбенту й адсорбату, але і заряд поверхні гірських порід, дія якого виявляється подвійно: з одного боку наявність заряду викликає електростатичне притягання до поверхні ПАР, а з іншого боку – поява заряду на поверхні в присутності в розчині фону з неактивного електроліту приводить до деформування подвійного електричного шару і витисненню в об'єм великих органічних молекул і іонів. В залізистих кварцитів поверхня гідрофільна і молекули води утворюють з нею водневий зв'язок. Отже, перейти з розчину на поверхню гірських порід можуть лише ті речовини, якіутворять з атомами поверхні хімічний зв'язок значно більш міцний, ніж водневий.

В результаті проведених експериментальних досліджень встановлено, що для забезпечення адсорбції іоногенних ПАР на залізистих кварцитах у присутності фонових електролітів до складу промивної рідини необхідно додатково вводити неіоногенні поверхнево-активні речовини. Вивчення закономірностей адсорбції сумішей ПАР на залізистому кварциті дало можливість встановити, що додавання невеликих кількостей неіоногенних ПАР (наприклад, ОП-10) до розчину іоногенного сульфонолу сприяє збільшенню адсорбції і стійкості останнього (рис. 2б).

Аналітичними дослідженнями встановлено, що свердловинні умови за допомогою температури впливають на поверхневу активність і адсорбцію ПАР (табл. 1).

Таблиця 1

Вплив температури на поверхневу активність і адсорбцію ПАР

Поверхнево-активні речовини | Температура, С | Поверхневий натяг, Н/м2 | Адсорбція, Г1011, М/см2 | Розбіжність, %

Назва | Вміст, М/л | теоретична | фактична

Сульфонол | 28 | 20 | 32,2 | 10,60 | 10,5 | 1,0

40 | 30,5 | 9,79 | 9,4 | 4,2

60 | 28,9 | 8,71 | 8,1 | 7,6

80 | 26,9 | 6,63 | 6,0 | 10,5

Катапін К | 40 | 20 | 41,4 | 5,06 | 5 | 1,2

40 | 40,2 | 4,76 | 4,5 | 5,8

60 | 38,5 | 3,94 | 3,6 | 9,5

80 | 37,4 | 3,31 | 2,9 | 14,3

ОП-10 | 30 | 20 | 33,4 | 9,40 | 9,0 | 4,1

40 | 32,8 | 8,81 | 8,2 | 7,4

60 | 30,9 | 7,07 | 6,4 | 10,5

80 | 30,1 | 5,92 | 5,1 | 16,0

Суміш сульфонолу та ОП-10 (1:1) | 30 | 20 | 30,2 | 11,32 | 10,8 | 4,8

40 | 28,9 | 10,34 | 9,5 | 8,39

60 | 27,5 | 9,33 | 8,3 | 12,4

80 | 26,6 | 7,12 | 6,1 | 16,7

Для розрахунків було використано рівняння Фрумкіна, яке зв'язує поверхневу активність і адсорбцію залежністю

, (1)

де – граничний поверхневий натяг; Т – температура; Г – адсорбція; R – постійна Больцмана; 0 – вихідний поверхневий натяг; Гm – гранична адсорбція.

Встановлено, що підвищення температури приводить до збільшення поверхневої активності водяних розчинів ПАВ і зниженню, а в деяких випадках і відсутності, фізичної адсорбції, що досить добре погоджується з теоретичними висновками.

На підставі виконаних досліджень зроблено висновок про те, що для умов буріння свердловин, коли зі збільшенням глибини спостерігається значний ріст температури, хімічна адсорбція є основною, і значно переважає фізичну. Можливість утворення хімічних сполук при адсорбції обґрунтували Урбах М.І. і Нечаєв Є.О., припустивши, що в молекулі органічної сполуки, яка знаходиться в об'ємі розчину, електрони розташовуються на строго фіксованих рівнях, енергія яких визначається значеннями потенціалів іонізації. При цьому зроблено висновки: енергія зв'язку і кількість адсорбованої речовини мають максимум при рівності потенціалів іонізації адсорбенту й адсорбату (I=I*); якщо величина потенціалу іонізації адсорбенту й адсорбату відрізняється більш ніж на 0,15 еВ, то адсорбція відсутня.

Це положення було перевірено на кафедрі техніки розвідки РКК НГА України при участі автора дисертаційної роботи. Для визначення резонансних потенціалів гірських порід були використані органічні сполуки, потенціали іонізації яких перекривали діапазон значень від 6,88 до 11,3 еВ. Проведені дослідження показали, що всі залізисті кварцити мають близькі значення резонансного потенціалу іонізації (рис. 3).

На підставі отриманих даних був зроблений висновок про можливість використання розроблених представлень при визначенні потенціалів іонізації речовин як органічного, так і неорганічного походження. Застосування розробленого методу дозволило визначити потенціали іонізації ПАР різного походження, величини яких знаходяться в інтервалі 8-10 еВ (табл. 2).

Таблиця 2

Потенціали іонізації ПАР, які застосовують у бурінні

№ п/п | Найменування ПАР | Потенціали іонізації J, еВ

1 | Неонол-АФ-9-12 | 10,1; 10,85

2 | Феноксол ВІС-15 | 10,3; 13,0

3 | Катапін К | 10,1; 10,95

4 | Сульфонол (порошок) | 10,2

5 | Сульфонол НП-3 | 10,2

Проведені дослідження дозволили вивчити закономірності адсорбції ПАР (фізичної і хімічний) на залізистих кварцитах. Встановлено, що для кожної гірської породи мається значення потенціалу іонізації, при якому досягається максимум адсорбції і доведено, що якщо значення потенціалів іонізації гірської породи й ПАР відрізняються друг від друга більш ніж на 0,15 еВ, адсорбцію виявити не вдається. Результати досліджень покладені в основу розробленої методики вибору ПАР до промивної рідини при бурінні свердловин.

Розділ 3. Дослідження впливу промивних рідин на фізико-механічні властивості гірських порід

Хемосорбція приводить до утворення нових поверхневих сполук і забезпечує зниження поверхневої енергії твердого тіла, сприяючи виходу дислокацій на поверхню. Таким чином, був зроблений висновок про можливість вивчення впливу промивних рідин на механічні властивості і руйнування гірських порід при бурінні свердловин з погляду механіки руйнування і фізико-хімії поверхневих явищ. Підтверджено, що процесу механічного руйнування гірських порід, завжди передує етап дії зосереджених навантажень, що при заданому характері розподілу внутрішніх напружень і зв'язаних з цим деформацій, можна описати відомими співвідношеннями теорії пружності. Для вивчення механіки взаємодії твердого тіла і середовища при навантаженні було застосовано поляризаційно-оптичний метод визначення напруження у навантаженому зразку (табл. 3). Параметром порівняння служила відстань від точки дії навантаження до двох точок А і В, які відповідають интеренференційним смугам різного порядку. Для оцінки змін у характері розподілу напруження під дією промивної рідини використовували відношення

, (2)

де – параметр, для умови коли середовищем є повітря; – параметр, для умови коли середовищем є розчин ПАР.

Аналіз отриманих результатів дозволив зробити висновок про те, що речовини. які вибірково хемосорбуються на твердих тілах впливають на розподіл напруження у твердому тілі при навантаженні. Адсорбційний ефект, у цьому випадку варто віднести до "зовнішнього" ефекту, що приводить до пластифікації твердого тіла, зниженню границі текучості і твердості.

Таблиця 3

Результати дослідження впливу середовища

на розподіл напруження у твердому тілі.

№ досвіду | Навантаження на пуансон, Н | Середовище | Час витримки, хв. | Коефіцієнт впливу середовища

1 | 12,6 | Повітря | 0,5 | 1

2 | 12,6 | Розчин бензойної кислоти | 1 | 1,04

3 | 12,6 | 5 | 1,02

1 | 37,9 | Повітря | 0,5 | 1

2 | 37,9 | Розчин бензойної кислоти | 1 | 1,01

3 | 37,9 | 5 | 1,04

4 | 37,9 | 10 | 1,07

1 | 37,9 | Повітря | 0,5 | 1

2 | 37,9 | Розчин дибензофурану | 1 | 1,06

3 | 37,9 | 5 | 1

4 | 37,9 | 10 | 1,02

1 | 37,9 | Повітря | 0,5 | 1

2 | 37,9 | Розчин диметилу | 1 | 0,96

3 | 37,9 | 5 | 1,02

4 | 37,9 | 10 | 0,96

Для оцінки впливу промивних рідин на процес тріщиноутворення в гірських породах запропоновано використовувати критичне значення коефіцієнта інтенсивності напруження при вершині тріщини. Дослідження проводили на приладі УМГП-3 за схемою трехточечного вигину на повітрі, у воді і водяних розчинах ПАР. Результати досліджень впливу середовища на утворення і розвиток тріщин відриву і зрушення приведені в табл. 4.

Таблиця 4

Вплив середовища на утворення і розвиток тріщин відриву і зрушення

№ п/п | Середовище | Швидкість навантаження, Н/с | Значення руйнівного навантаження, Н

Тріщини відриву

1 | Повітря | 8 | 275,2

2 | Дистильована вода | 8 | 287,3

3 | Розчин неонолу | 8 | 210,3

4 | Розчин синтанолу | 8 | 211,8

5 | Розчин катапіну | 8 | 209,3

Тріщини зрушення

6 | Повітря | 78 | 3582,5

7 | Дистильована вода | 78 | 3497,4

8 | Розчин неонолу | 78 | 3597,9

9 | Розчин синтанолу | 78 | 2759,9

Дослідження впливу водяних розчинів ПАР на статичну і динамічну міцність залізистих кварцитів були проведені на приладах УМГП-3 і ПОАП (табл. 5).

Таблиця 5

Вплив промивних рідин на показники міцності

залізистих кварцитів

Показники міцності | Повітря | Вода | Водяні розчини речовин

№2 | №3 | №10 | №12 | №13 | №14 | №15 | №16 | №17 | №22 | №30

Твердість Рш, Па | 1530 | 1095 | 1020 | 915 | 615 | 735 | 825 | 885 | 990 | 720 | 690 | 600 | 810

Коеф. динамічної міцності | 29 | 25 | 26 | 22 | 23 | 17 | 24 | 19 | 24 | 20 | 22 | 25 | 28

Встановлено, що речовини, що вибірково адсорбуються на гірських породах, забезпечують зниження їх міцностних властивостей гірських порід.

Найбільш важливим показником процесу руйнування гірських порід при бурінні свердловин є енергоміскість, яка характеризує витрати роботи на одиницю об'єму зруйнованої породи. На стенді здійснювали буріння залізистих кварцитів, результати якого приведені в табл. 6.

Таблиця 6

Вплив промивної рідини на енергомісткість

процесу руйнування залізистих кварцитів

Породоруйнівний інструмент | Промивна рідина | Обертовий момент, Нм | Енергоміскість, Дж/см3

Алмазна коронка | Технічна вода | 54,8 | 0,215

Водний розчин суміші сульфонолу і феноксолу | 26,4 | 0,168

Данні експериментальних досліджень свідчать про те, що ПАР, які вибірково хемосорбуються на поверхні залізистих кварцитів, дозволяють значно знизити енергетичні показники процесу руйнування: зниження моменту, на 52 %, енергомісткості на 22 %.

При визначенні впливу промивних рідин на ефективну поверхневу енергію (ЕПЕ) залізистих кварцитів з урахуванням їх будівлі та анізотропії було застосовано метод, розроблений у Донецькому фізико-технічному інституті, відповідно до якого прямокутної форми балочку з нарізаною на поверхні тріщиною згинали моментом сил.

Величину ЕПЕ визначали по формулі

, (3)

де В – плече дії навантаження Р; Н – товщина зразку; f() – функція відносної довжини тріщини; Е – модуль Юнга; h – глибина тріщини.

На рис. 3 приведена залежність впливу промивної рідини на ефективну поверхневу енергію (ЕПЕ) залізистих кварцитів.

Встановлено, що вплив речовин, які вибірково хемосорбуються на залізистих кварцитах, не обмежується кількісним ефектом (зниження ЕПЕ в 1,5-2 рази), а виявляється й у якісній зміні механічних властивостей гірських порід. Найбільших результатів можна досягти при використанні промивних рідин близьких за молекулярною природою до гірських порід, що дуже складно реалізувати при бурінні свердловин.

У роботі розглянуто кінетичні аспекти прояву ефекту Ребіндера: в'язкістну течію активної рідини по тріщині як по капіляру; зниження активаційного бар'єру розвитку тріщини; постійна присутність активної рідини в зоні руйнування.

Для теоретичного дослідження була використана плоска задача течії рідини по тріщинах, яка запропонована Е.В. Кузьміним. Зв'язок між напругою і градієнтом швидкості /dy для дисперсних систем можна описати виразом

, (4)

де k – коефіцієнт, що враховує консистентність рідини; n – показник, що визначає ступінь відхилення рідини від ньютонівської; k і n – постійні величини для даної рідини.

Елементарна сила опору рідини при її течії по тріщині

, (5)

Використовуючи умову прилипання на стінках тріщини, де опір максимальний

, (6)

після інтегрування, одержимо

, (7)

Таким чином, одержано наступний закон плину рідини:

, (8)

де Ро – тиск на вході в плоску тріщину; – щільність рідини; 2h – ширина розкриття тріщини.

Підстановка = u перетворить диференціальне рівняння (8) у рівняння

, (9)

де

, (10)

При радіальній течії рідини по тріщині рівняння другого закону Ньютона для перемінної маси приймає вигляд

. (11)

Після перетворень одержимо

. (12)

Уперше запропоновано нові точні рішення приведеного рівняння (12) у випадках, коли n дорівнює 2 і 4. На підставі запропонованих рішень було розроблено промивні рідини, які мають високою проникаючою здатністю, ефективність і новизна яких захищені авторськими посвідченнями і патентами (А.с. СРСР № 1578175, 1705535 та інші).

Для забезпечення кінетичного аспекту ефекту Ребіндера за участю автора дисертації розроблено конструкції бурових снарядів і породоруйнівних інструментів, ефективність і новизна яких захищені авторськими посвідченнями і патентами (рис. 4, 5).

Дані конструкції пристроїв дозволяють реалізувати умови в'язкістної течії рідини по мікротріщинах і постійну її присутність у зоні руйнування.

Розділ 4. Дослідження мастильних і протизносних властивостей промивних рідин

З урахуванням положень фізико-хімічної механіки металів проведено теоретичні та експериментальні дослідження впливу на процеси тертя, зносу і корозії при бурінні свердловин факторів, обумовлених складом і властивостями промивних рідин. При цьому механізм дії може бути адсорбційним, корозійним, хімічним і ін., і починається цей вплив з адсорбції, що сприяє зниженню рівня поверхневої енергії металу і потенційного бар'єру для виходу дислокацій на поверхню.

Промивні рідини, які застосовують при бурінні свердловин, є багатокомпонентними системами, до складу яких можуть входити поверхнево-активні, корозійно-активні і хімічно-активні речовини, від присутності яких і залежить вид механізму їхньої дії на властивості металів.

Значну роль у процесах при бурінні свердловин грає тертя, що якісно характеризується електронними, акустичними й іншими явищами, кількісно – коефіцієнтом тертя, силою тертя і зносом поверхні.

У процесі взаємодії породоруйнівного і бурового інструменту з гірськими породами при бурінні свердловин поверхні тертя піддаються механічним і хімічним впливам, які викликають у них складні зміни, і врахувати які при постановці експерименту можливо лише у випадку, якщо робота пари тертя буде проходити з дотриманням кінематичних і динамічних критеріїв подоби.

Розглянуто кілька моделей пар тертя, для оцінки яких використовувалася динамічна подібність. Дослідження впливу промивних рідин на процес тертя породоруйнівного і бурового інструмента по гірських породах, виконували на машині МТП, конструкція якої подібна до широко відомого приладу Тімкена і моделює свердловинні умови (табл. 7).

Аналіз отриманих даних дозволив зробити висновок про те, що речовини, які вибірково хемосорбуються на тертьових поверхнях, впливають на процес тертя.

Таблиця 7

Мастильні властивості промивних рідин

Промивна рідина | Коефіцієнт тертя сталі по залізистому кварциту

Основа | Добавка

назва | вміст, %

Технічна вода—— | 0,52

Нафта | 8,00 | 0,29

Кістковий жир | 2,00 | 0,29

Сульфонол | 0,15 | 0,29

Катапін | 0,50 | 0,34

ОП-10 | 0,50 | 0,26

Феноксол ВІС-15 | 0,50 | 0,26

Суміш сульфонолу і ОП-10 (1:1) | 0,50 | 0,22

Талове мастило | 2,00 | 0,16

Велике значення при бурінні свердловин мають питання, зв'язані з підвищенням експлуатаційних характеристик шарошкового долота, що може бути досягнуто не тільки за рахунок використання промивних рідин з високими мастильними властивостями, але і завдяки подачі останньої в зону тертя під тиском, що обумовлює гідродинамічний ефект змащення.

Для теоретичного дослідження роботи підшипника в свердловинних умовах було використано диференціальне рівняння, яке дозволяє визначити розподіл тиску в зоні тертя без обліку впливу інерційних сил на рух мастила

(13)

Система координат для приведеного рівняння складається з осі Z, нормальної до поверхні тертя; h – товщина олії і

(14)

де = у випадку використання рідин.

Запишемо Р1 у вигляді

, (15)

що при підстановці (15) у рівняння (13) приводить до таких звичайних диференціальних рівнянь

(16)

де через позначено константу розподілу.

Якщо , то система (16) має у вигляд

(17)

Вибір h1(x), що припускає точні рішення першого рівняння системи (17), здійснюється при А>0; A<0 і m+A>0; A<0 і m+A<0; A<0 і m=-A; A=0; B=C=0 і ; А=У=0 і ; А=У=0 і З =0,25; У=З=0 і А>0; B=C=0, A<0 і m+A>0; У=З=0, А<0 і m+A<0; B=C=0 і m=-A; A=B=C=0 і ін.

Запропоновані точні рішення дають можливість одержати задовільну апроксимацію виразу (17) при підстановці схематичного розподілу тиску, підтвердити ефективність використання в конструкції шарошечних доліт герметизованої мастильнозаповненої опори і розробити вимоги до мастильних добавок.

Під час переміщення породоруйнівного інструменту по гірських породах при бурінні свердловин відбувається значна активація приповерхнього шару металу, що приводить до полегшення окислювання поверхонь. Вивчення цього процесу виконували на чотирьохкульковій машині ЧКМ, яка моделює процеси тертя в опорах шарошечних доліт. При цьому визначали мастильні властивості промивних рідин по граничному руйнівному навантаженню зварювання кульок, ступеня їхнього зносу і граничну міцність мастильних плівок, яку розраховували за формулою

, (18)

де d1ср – середній діаметр плям зносу в досліді, що передує зварюванню кульок; Р1 – навантаження на верхню кульку.

У табл. 8 приведено результати лабораторних досліджень впливу промивних рідин на зношування сталевих кульок і граничну міцність мастильних плівок.

В результаті проведених досліджень встановлено, що речовини, які вибірково хемосорбуються на поверхнях тертя, утворюють мастильні плівки високої міцності, і сприяють зниженню зносу.

На стійкість породоруйнівного і бурового інструменту значно впливає корозія. Промивні рідини можуть сприяти цьому процесу, викликаючи хімічну, чи електрохімічну корозію, завдяки якій знижується пластичність, міцність і витривалість металів. Свердловинні умови також можуть впливати на корозійну дію промивних рідин. Так збільшення температури підсилює корозійну дію, а тиск впливає в значно меншому ступені.

Таблиця 8

Мастильні властивості промивних рідин, що визначені

на чотирьохкульковій машині тертя

Промивна рідина | Навантаження зварювання кульок,