Проект строительства скважины на Мало-Балыкском месторождении

 

4.4.3 Применение электрофореза  в очистке раствора

При бурении нефтяных и газовых скважин  буровой  раствор загрязняется, т.е. содержит в себе  нежелательные  твердые частицы. Прежде чем буровой раствор можно использовать еще раз, необходимо удалить твердые частицы.

Для очистки бурового раствора от твердых частиц применяют разнообразные устройства. Крупные твердые  частицы  удаляют  пропусканием флюида  сквозь  вибросита. Для очистки от более мелких твердых частиц можно использовать центробежную силу. Однако ультратонкие твердые частицы, т.е. такие твердые частицы, которые не удаляются из флюида механическими средствами остаются в буровом растворе даже после такой обработки. Непрерывное многократное использование бурового флюида повышает концентрацию ультратонких твердых загрязнений, присутствующих во флюиде.

Данные твердые частицы могут ухудшать многие свойства флюидной системы. Образующаяся глина неизбежно попадает во флюидную систему, и, в зависимости от их характера и концентрации, глинистые минералы могут быть полезны или вредны для флюидной системы. Такие примеси, как гипс, могут «разделять  на  фракции»  флюидную  систему,  что  вызывает  осаждение  частиц  хлопьями  и  повышение вязкости. Когда это происходит, существует опасность скручивания бурильной трубы до предела прочности или вызова фонтанирования. При высоких температурах может происходить огеливание или загущение флюида, что приводит к значительному повышению давления на рециркуляционный насос.

Техническим усовершенствованием была бы возможность удаления ультратонких твердых загрязнений из бурового флюида, чтобы буровой флюид можно было использовать дополнительно. Одним способом решения такой задачи является электрофорез.

Приложение  электрического поля к раствору приведет к миграции некоторых молекул в конкретном направлении. Положительно заряженные молекулы будут мигрировать к отрицательно заряженному катоду, тогда как отрицательно заряженные молекулы будут мигрировать к положительно заряженному аноду. Данный процесс, известный как электрофорез, можно применить для очистки некоторых растворов.

Техническим усовершенствованием было бы получение устройства, которое обеспечивает возможность непрерывного удаления ультратонких твердых частиц в потоке подобного загрязненного флюида. Данное устройство можно применять последовательно с другими очистными устройствами для удаления загрязнений из потока бурового раствора. Еще одним усовершенствованием было бы также получение устройства, которое может удалять ультратонкие твердые частицы также из ванны или накопителя бурового раствора.

 

4.5 Использование электрофореза для очистки инвертно-эмульсионного раствора

 

4.5.1 Инвертно-эмульсионный раствор

Инвертно-эмульсионный относят к растворам на углеводородной основе (обратные эмульсии II рода). Углеводородный компонентов выбирается в зависимости от материально-технического обеспечения, экологического ограничения и свойств жидкости, например, вязкости и температуры вспышки. Углеводородным компонентом может быть дизель, нефтепродукты, минеральные масла, содержащих небольшое количество ароматических углеводородов (0,5-5%) и синтетических жидкостей с очень низким содержанием ароматических (<0,5%). В качестве дисперсной фазы используется раствор хлорид кальция,  для регулирования структурно-механических свойств бурового раствора и осмотического движения воды между буровым раствором и горной породы. Содержание воды в растворе может колебаться от 20 до 80%, но наиболее эффективным считается 50-60%. Поверхностно-активные вещества (эмульгаторы) стабилизируют водонефтяные эмульсии, обеспечивают высокую стабильность жидкости при температурах и давлении. Для обеспечения плотности обычно используется барит (BaSO4). Различные другие добавки в буровом растворе присутствуют для контроля физических свойств, например, загустителей.

Инвертно-эмульсионные растворы используют для бурения нескольких скважин, отсюда высокий контроль за содержанием выбуренной породы в нем. Тонкие (<5 мкм) легкие твердые частицы не могут быть удалены из раствора при использование стандартной системы очистки.  При концентрации выше 2-5% по объему, могут возникнуть осложнения, повышение СНС, прихваты колоны бурильных труб, увеличение крутящего момента и сопротивления.

Традиционно буровой раствор разводят для снижения концентрации легких твердых частиц и восстановлению требуемых свойств. Это часто дорогостояще, а также повышает объем бурового раствора, что приводит к вопросам, связанных с хранением, транспортировкой и утилизацией. В тяжелых случаях разбавление раствора сопровождается значительными затратами.

Внедрение новой технологии очистки обеспечит восстановление инвертно-эмульсионного бурового раствора. Метод основан на принципе электрофоретического движения заряженных частиц под действием электрического поля и используется для удаления из бурового раствора загрязняющих веществ, для повышения продолжительности жизни и снизить потребность в разведении.

 

 

4.5.2 Особенности электрофореза  в инвертно-эмульсионном растворе

Электрофорез является движение заряженных частиц в среде, под влиянием электрического поля. Применение на углеводородных системах также было ориентировано в качестве процесса, чтобы удалить капельки воды от нефти. Этот метод ранее не применялся в комплексе компонентов, которые существуют в инвертно-эмульсионных буровых растворов.

Скорость частиц зависит от свойств частиц (например, поверхностной плотности заряда и размера), так и от свойств раствора, через который они проходят (например, силы трения и вязкость). Когда заряженные частицы мигрируют они концентрируются, образуя скопление в одном из электродов. Заряд электрода (например, положительный или отрицательный) будет определять направление и вид отложившихся на нем частиц. Количество отложений не будет зависеть только от скорости и направления миграции, но и геометрии электродов, площади, времени сбора и температуры.

4.5.3 Влияние электрического  поля на инвертно-эмульсионный раствор

Подача напряжения на инвертно-эмульсионный раствор является одним из методов, обычно используемых для определения стабильности эмульсии.  Устойчивость оценивается по условной величине напряжения пробоя, под воздействием которого в эмульсии появляется ток утечки (0,6-1,0 мА), фиксирующий изменения в растворе только в конкретный момент измерения.  Напряжением подается между двумя электродами, на расстоянии 1,6 мм друг от друга, погруженные в раствор. Типичная величина электропробоя составляет 280 В, обусловлено образованием непрерывной, электропроводной цепи частиц между электродами. Электрическое поле, используемое в электрофоретическом разделение заряженных частиц от эмульсии, как правило, составляет 0,1-10 В, гораздо ниже, чем величина электропробоя.

Изучение влияния электрического поля на инвертно-эмульсионный раствор проводились на контрольно-измерительном приборе представленном на рисунке 4.4.

 

Рисунок 4.4 - Контрольно-измерительный прибор №1

Наружный диаметр внутреннего цилиндра (2а) составляет 15 мм, внутренний диаметр внешнего цилиндра (2б) 55 мм и активной высота (h)       65 мм. Внутренний цилиндр соединен с отрицательной клеммой высокого напряжения, а внешний цилиндр заземлен. Внутренний цилиндр становится отрицательным по отношению к внешнему, создавая радиальное электрическое поле между электродами.

Испытания проводились с инвертно-эмульсионным раствором с плотностью 1140 кг/м3, соотношением «нефть-вода» 75:25. В течение 3 часов подавалось напряжение 440 В. За это время на внутреннем цилиндре сформировался осадок. После проведения ретортного анализа определяем процент веса воды, нефти и твердых частичек. Результаты занесены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Влияние напряжения на состав бурового раствора, при величине напряжения 400 В, в течение трех часов.

Составной элемент	Исходный раствор(%)	Осадок(%)
твердая фаза	30	51
Вода	20	30
Нефть	50	19

 

Из таблицы 4.1 видно, что осадок содержит высокую концентрацию твердой фазы и воды по сравнению к первоначальному раствору. Это показывает, что под воздействием электрического поля, как твердые тела так и капли воды мигрировали к отрицательно заряженному внутреннему цилиндру. Барит является инертным и не обладает зарядом, но увлекается к отрицательному электроду в рамках миграции других частиц (глины). Частички барита, также как глины и капли воды могут приобрести заряд от эмульгаторов и других ПАВ, добавленных в буровой раствор, что увеличит миграцию.

 Диэлектрические измерения проводились на буровой раствор, осадок и супернатант, образовавшиеся при напряжение 220 В за 1 ч. Инвертно-эмульсионный раствор, используемый в экспериментах, был основан на синтетических олефинах.

Относительная диэлектрическая проницаемость, ε — безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля.

Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость), σ — это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В СИ единицей измерения электрической проводимости является сименс.

Значения диэлектрической проницаемости и проводимости были получены на приборе WKPM (Wayne Kerr Permittivity Micrometer), представленном на рисунке 4.5.

 

 

Рисунок 4.5 – Схема прибора WKPM.

График зависимости диэлектрической проницаемости, проводимости от частоты  строился по результатам измерений на приборе WKPM, и представлен на рисунке 4.6. Частота варьировалась от 20 Гц до 3 МГц.

 

Рисунок 4.6 - Зависимость относительной диэлектрическойпроницаемости и проводимости от частоты для исходного раствора, осадка и супернатанта, измеряемые на приборе WKPM.

 

Из графиков на рисунке 4.6 видим, что относительная проницаемость уменьшается с увеличением частоты, но проницаемость осадка всегда превышает исходный раствор. Так как супернант не содержит твердых частиц или ПАВ, то диэлектрическая проницаемость относительно осадка и исходного раствора значительно ниже.

Проводимость на низких частотах у осадка меньше, чем у исходного бурового раствора, вероятно это происходит из-за дополнительного мицеллярного/ионного движения твердых тел. Для частот больше 1 кГц проводимость осадка и исходного раствора превышает супернант, вследствие механизма релаксации (заряд прыжка). Это показывает, что формирование осадка обусловлено в основном перевозкой поверхностно-активных ионов или мицелл, а не заряда частицы глины. Кроме того из данных графика проводимости видно, что для электрического поля, при очень низкой или нулевой частоте, проводимость будет 100 nS·m-1 или 10-7 S·m-1, по сравнению с обычной 1 S·m-1, для водных растворов солей. Именно эта небольшая проводимость позволяет проводить электрофоретическую обработку с малым током и, следовательно, очень маленькой потребляемой мощностью.

4.5.3 Влияние состава бурового  раствора на электрофоретическое  разделение

Чтобы получить представление о переменных, влияющих на миграцию и разделение твердых тел и капель воды от инвертно-эмульсионного раствора в электрическом поле, проводился ряд лабораторных исследований с использованием бурового раствора загрязненного различными химическими продуктами. Каждый образец обрабатывают 440 В в течение 3 ч,  на контрольно-измерительном приборе №1.

4.5.3.1 Влияние содержания бурового шлама

Глину и бентонит добавляли в буровой раствор для моделирования бурового шлама, во все возрастающих количествах.

Влияние содержания бурового шлама показано на рисунке 4.7

 

Рисунок 4.7 – Влияние содержания шлама на образование осадка

Из графика ясно что чем больше содержание шлама в растворе тем меньше осадка образуется и при определенном количестве шлама образование отложений не происходит. Это объясняется что увеличилась вязкость бурового раствора, что препятствовало миграции частиц на электрод. Также большее количество твердых веществ мешает миграции капель воды к электроду, в результате чего осадок становится все более скользкий, что повлияло на сцепление с внутренним цилиндром.

4.5.3.2 Влияние содержания  эмульгатора

Эмульгаторы это ПАВ, добавляются в раствор для стабилизации эмульсий. Первичный эмульгатор это сильные ПАВ, используются в основном для стабилизации водно-нефтяной эмульсии. Вторичный эмульгатор действует как смачиватель нефти и влияет на свойства бурового раствора, такие как фильтрация. Молекулы ПАВ действуют на поверхности твердых частиц и капель воды, следовательно могут повлиять на миграцию их в электрическом поле.

Влияние содержания первичного и вторичного эмульгатора показано на рисунках 4.8 и 4.9 соответственно.

 

 

 

 

Рисунок 4.8 – Влияние содержания первичного эмульгатора на образование осадка

 

Рисунок 4.9 – Влияние содержания вторичного эмульгатора на образование осадка

Полученные результаты свидетельствуют о том, что эмульгаторы замедлили скорость миграции частиц или капель воды. Осадок стал жестче и липче, так как концентрация эмульгатора увеличилась. Окончательный состав осадка остался неизменным.

4.5.3.3 Влияние типа бурового  раствора

Точный состав инвертно-эмульсионных буровых растворов и специальных химических добавок для регулирования свойств, меняется в зависимости от расположения, доступности, экологической политики и необходимой производительности бурения. Для определения влияния электрического поля было протестировано два альтернативных буровых раствора. Первая на основе синтетического олефина, а вторая на специальной жидкости на основе минеральных масел. Обе жидкости были протестированы и было установлено, что при применение 440 В наблюдалось движение частиц от внутреннего, отрицательно заряженного цилиндра. Изменив полярность внутреннего цилиндра на положительную, мы вновь наблюдаем осаждение частичек и капель воды на внутреннем электроде.