Введение к работе
Актуальность темы. Технологические свойства пены, широко применяемой при флотации, при тушении пожаров, в процессе бурения и освоения скважин, тесно связаны с ее физико-химическими параметрами, которые предопределяют процессы ее генерации и ограничения по ряду показателей (экологических, экономических, реологических, структурно-механических и др.).
На практике принято относить к пенам многофазные дисперсные системы, в которых газосодержание при атмосферном давлении (степень аэрации -а) находится в пределах 60<а<300 . Физико-химические свойства этих дисперсных систем зависят как от соотношения жидкой и газообразной фаз, так и от вида концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ), используемых в качестве реагентов-пенообразователей, стабилизаторов и ингибиторов. ПАВ в буровой практике начали применять еще с 1930 г., когда академиком П.А.Рябиндером были установлены отдельные их свойства как понизителей твердости горных пород. В настоящее время пены нашли широкое применение при бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, особенно в северных районах, при бурении нефтяных скважин в Башкирии, на Северном Кавказе, в Предкарпатье и других регионах СНГ, а также за рубежом.
Большой вклад в разработку технологии бурения и освоения скважин внесли коллективы ВНИ-ИБТ, ВИТР, СПбГГИ, БашНИИнефть и другие научно-исследовательские и производственные организации России.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ и опыт практического применения пены как очистного агента при бурении скважин позволили выявить ряд
ее принципиальных преимуществ по сравнению с другими промывочными агентами, основное из которых состоит в существенном повышении технико-экономических показателей. Так, по многочисленным отечественным и зарубежным данным механическая скорость возрастает в среднем в 2-3 раза, проходка на долото - в 4-6 раз, исключаются непроизводительные потери промывочной жидкости при проходке зон поглощений, резко сокращаются расходы на водоснабжение и др.
Большой вклад в развитие теории, технологии
и технических средств бурения с пеной внесли мно
гие отечественные и зарубежные ученые, среди кото
рых необходимо выделить А.В.Амияна,
В.Г.Вартыкяна, Л.К.Горшкова, А.И.Кирсанова, В.Я.
Климова, Б.Б.Кудряшова, Ю.С.Лопатина, Ю.М.Па-
рийского, Н.И.Слюсарева, Н.В.Соловьева, А.М.Яков
лева, Н.Маковея, Б.Митчелла, Р.Э.Уокера и др.
Однако существующая технология применения пены при бурении скважин не располагает пока надежными показателями функциональных технологических особенностей, определяющих рациональную область применения пены на базе основных разновидностей пенообразователей. Необходимость и своевременность проведения научно-исследовательских работ в данном направлении обуславливается объективными факторами, вызывающими увеличение стоимости буровых работ, в особенности при освоении топливно-энергетических ресурсов в неблагоприятных геологических и природно-географических условиях, а также требованиями улучшения условий труда и экологической безопасности.
Работа выполнялась в лабораториях ВНИИ пожарной охраны и кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова (ТУ) в 1987-96 гг. в соответствии с координационными тематическими планами, отраслевыми программами и
заданиями б.Мингео РСФСР, Роскомнедр и Госкомвуза РФ.
Цель работы - изучение влияния компонентного состава, конфигурации каналов течения на реологическое поведение пены, а также процессов кольматации капилляров, пор и микротрещин для совершенствования технологии бурения скважин.
Основные задачи исследований:
обосновать методику экспериментов, разработать лабораторные стенды, и опытные установки;
оценить правомерность принятого условного деления пены на ньютоновскую и неньютоновскую жидкости по показателю газосодержания;
установить зависимость реологических показателей пены от температуры и уточнить влияние геометрии канала на реологическую модель течения;
определить область допустимых значений
раскрытия пор, микротрещин и перепада давлений в
процессе кольматации (изоляции) зон поглощения
пенами;
исследовать влияние минерализации флюи
дов на пенообразующие свойства промышленных по
верхностно-активных веществ и адсорбционные по
тери с учетом активности основных типов пород.
Методика исследования. Для выполнения поставленных задач применялись методы аналитического и экспериментального исследования на специально разработанных лабораторных стендах, обеспечивающих визуализацию и скоростную киносъемку процессов, запись осциллограмм.
Методика исследований разработана на основе теории подобия, размерностей и планирования эксперимента. Для обоснования рекомендаций выполнялись вариантные расчеты на ЭВМ.
Научная новизна заключается в экспериментальном доказательстве сохранения неньютоновских свойств пены во всей области ее существования по показателю газосодержания, установлении различных реологических моделей течения в круглых и кольцевых каналах и механизма кольматации пор и тонких трещин.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в стендовых условиях по разработанным автором методикам с использованием высокого класса точности контрольно-измерительной, регистрирующей и электронно-вычислительной техники. Оценка объема и надежности результатов экспериментальных исследований и полученных опытных данных производилась с достоверностью 0,90-0,95.
Практическая ценпость заключается в обобщении выявленных закономерностей реологического поведения пены с сохранением свойств неньютоновской жидкости во всей области ее существования по показателю газосодержания при различных реологических моделях течения в круглых и кольцевых каналах, что позволяет уточнить и достоверно обосновать методики расчета технологических параметров циркуляции пены в скважине.
1. Получены зависимости реологических
показателей пены в условиях изменения температуры, которые могут быть использованы для инженерных расчетов при конструировании и выборе оборудования и устройств при проектировании рациональных режимов бурения, а также в других областях, в частности, при разработке противопожарных мероприятий, при производстве строительных материалов.
2. Установленные факторы и особенности
течения пены в порах и трещинах, обус
ловленные взаимодействием структурно-механичес
ких, реологических свойств пены и ..капиллярных
явлений позволяют определять параметры, изоляци
онных экранов в осложненных интервалах бурения.
3. Разработана методика упрощенного рас
чета промывки скважины пеной и. осно
вы технологии предупреждения поглощений, приня
тая к использованию в ВИТРе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 2 и 3 международных симпозиумах "Бурение скважин в осложненных условиях" (Ленинград,1992; Санкт-Петербург, 1995),, обсуждались на НТС Проблемной научно-исследовательской лаборатории горной теплофизики и кафедре ТТБС СПбГГИ (ТУ) (1987-1995 гг.).
Публикации. По материалам диссертации
опубликована 1 монография и 4 печатных работы.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 135 страницах машинописного текста, имеет 20 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований.