Нефтепромысловая химия. Ч. I

Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И. М. ГУБКИНА

Кафедра технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности

НЕФТЕПРОМЫСЛОВАЯ ХИМИЯ Часть I Химические реагенты и технологии для строительства, эксплуатации и ремонта скважин ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва 2015

УДК 544:622.276.6(075)+54-41(075)

Ре це нзе н т: проф. Р.З. Сафиева Нефтепромысловая химия: Лабораторный практикум. Часть I / Под ред. М.А. Силина / Авт.: О.П. Лыков, Л.А. Магадова, С.А. Низова, Л.И. Толстых, В.Л. Заворотный, Л.Ф. Давлетшина, О.Ю. Ефанова, В.Б. Губанов, В.Р. Магадов, М.М. Мухин, А.В. Лужецкий. − М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2015. – 92 с. Рассмотрены теоретические основы и лабораторные методы исследования химических реагентов, применяемых для строительства, эксплуатации и ремонта скважин. Практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров / магистров «Нефтегазовое дело», «Химическая технология».

 Коллектив авторов, 2015  РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2015

Содержание Предисловие .................................................................................................

4

Часть I. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА СКВАЖИН

6

Раздел 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫВОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ .................... Лабораторная работа № 1.1. Определение плотности промывочных технологических жидкостей................................................. Лабораторная работа № 1.2. Определение содержания твердой фазы в промывочных технологических жидкостях ...................... Лабораторная работа № 1.3. Определение коллоидальности глин в промывочных технологических жидкостях ...................... Лабораторная работа № 1.4. Определение флокулирующей способности химических реагентов................................................... Лабораторная работа № 1.5. Оценка реологических свойств промывочных технологических жидкостей .................................... Лабораторная работа № 1.6. Определение показателя фильтрации промывочных технологических жидкостей ..................... Лабораторная работа № 1.7. Определение содержания ионов Са+2 и Mg+2 в фильтрате промывочных технологических жидкостей ....................................................................................................... Лабораторная работа № 1.8. Электростабильность технологических жидкостей на углеводородной основе.................................. Лабораторная работа № 1.9. Определение технологических параметров тампонажного раствора................................................. Раздел 1.2. ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА СКВАЖИН ...................................... Лабораторная работа № 1.10. Получение эфиров целлюлозы .... Лабораторная работа № 1.11. Определение степени замещения (степени этерификации) карбоксиметилцеллюлозы и содержания основного вещества в технической КМЦ ................................. Лабораторная работа № 1.12. Определение степени полимеризации карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) ......................................... Лабораторная работа № 1.13. Изучение фазового равновесия в системах эфиры целлюлозы – CaCl2 ................................................. Лабораторная работа № 1.14. Определение концентрации полимера полиакриламида (ПАА) в водной среде ............................. Литература.................................................................................................... 3

8 13 20 25 29 33 45 54 57 63 71 75 77 82 85 89 92

Предисловие Лабораторный практикум в 6 частях предназначается для студентов старших курсов факультета химической технологии и экологии, специализирующихся в области нефтепромысловой химии, при выполнении ими лабораторных работ по дисциплинам, изучаемым на кафедре технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности: – химические реагенты и технологии для строительства, эксплуатации и ремонта скважин; – химические реагенты и технологии для интенсификации нефтегазодобычи, повышения нефтеотдачи пластов, ограничения водопритока и ремонтно-изоляционных работ; – реагенты и технологии для борьбы с осложнениями в нефтегазодобыче; – реагенты и технологии для промысловой подготовки нефти, газа и воды. Современный этап эксплуатации нефтегазовых месторождений характеризуется существенным усложнением добычи углеводородного сырья вследствие увеличения удельного объема трудно извлекаемых запасов, группированием подавляющего количества вновь разрабатываемых и перспективных месторождений в северных регионах и на шельфе морей, ростом количества осложняющих факторов, связанных с органоминеральными отложениями из состава пластовых флюидов, наличием биогенного сероводорода, обводнением и эмульсификацией скважинной продукции и другими факторами на фоне снижения эффективности работ по их ликвидации и интенсифицирующих обработок призабойной зоны пласта и эффективности разработки нефтяных месторождений в целом. Все это требует от инженеров-технологов, специализирующихся в области промысловой химии, глубоких теоретических знаний, понимания существа протекающих процессов и хорошего практического владения методами анализа, оценки эффективно4

сти действия и совместимости широкого круга используемых в отрасли химических реагентов. Такие знания могут быть закреплены, а практические навыки получены только в процессе выполнения лабораторных работ. В практикуме представлены лабораторные работы, набор которых, по мнению авторов, поможет студентам ознакомиться с основными проблемами, возникающими в процессах нефтегазодобычи, ролью и механизмом действия используемых в ходе этих процессов химических реагентов, основными методами анализа, применяемыми как в промысловой практике, так и при лабораторных исследованиях реагентов. Это в равной степени необходимо как научному работнику, так и инженеру-производственнику. Лабораторные работы выполняются студентами после изучения курса «Химия и технология поверхностно-активных веществ», поэтому ряд вопросов теоретического характера (поверхностные явления, адсорбция, смачивание и др.) в данном пособии практически не рассматриваются. На базе собранных в практикуме работ можно легко выдавать расширенные задания, имеющие характер самостоятельного исследования. Каждой группе работ предшествует теоретическое введение. Выбор конкретных заданий и число работ определяется преподавателем. Работы, приведенные в практикуме, в течение ряда лет проверялись и совершенствовались на кафедре технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности. При выполнении практических работ в лаборатории студент должен строго выполнять требования по технике безопасности, основные из которых изложены в соответствующих разделах. Авторы выражают глубокую благодарность н.с. М.Д. Пахомову, к.т.н. Н.М. Николаевой и м.н.с. Д.Н. Малкину за участие в постановке работ лабораторного практикума и рецензенту профессору Р.З. Сафиевой. 5

Часть l. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА СКВАЖИН Промывочные (технологические) жидкости (ПЖ и ТЖ) выполняют ряд функций, которые определяют не только успешность и скорость бурения, но и ввод скважины в эксплуатацию с максимальной продуктивностью и продолжительностью её работы. Основные функции современных промывочных (технологических) жидкостей состоят в обеспечении: – высоких скоростей бурения и проходки на долото; – безопасности и безаварийности бурения; – качественного вскрытия продуктивных пластов. Эффективность эксплуатации добывающих скважин в значительной степени зависит от условий вскрытия нефтяных пластов, применяемых составов технологических жидкостей для глушения скважин перед ремонтами. На практике, в основном, используют следующие виды промывочных жидкостей: техническую воду, глинистые растворы, полимерные и биополимерные растворы, солевые растворы, прямые и обратные (инвертные) эмульсии и аэрированные составы (пены). В состав ПЖ (ТЖ) входят различные химические реагенты и материалы неорганического (основания, соли)и органического происхождения (низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества различной химической природы). Химические реагенты и материалы классифицируются по различным признакам, например, по химической природе, физикохимическим свойствам (термостойкости, устойчивости к электролитам), по назначению, особенностям действия и т.д. Для практических целей обычно используют классификацию реаген6

тов по их назначению (например, регуляторы рН, вязкости или фильтрации и т.п.), а для научно-исследовательских – по химической природе. К промывочным (технологическим) жидкостям предъявляется ряд требований, которые обусловливают их качество и функциональное назначение. Промывочные жидкости не только удаляют продукты разрушения из скважин и охлаждают породоразрушающий инструмент, но и обеспечивают предупреждение и ликвидацию осложнений вскрытия продуктивных пластов, а также способствуют повышению качества буровых работ на нефть и газ. Применение промывочных жидкостей, свойства которых не соответствуют данным геолого-техническим условиям, может привести к различным осложнениям и авариям, сопровождающимся большими затратами времени и средств. Важную роль при обработке промывочных жидкостей играют химические реагенты, правильный выбор и рациональное использование которых позволяет получать системы с заданными свойствами. Приготовление сложных по составу промывочных (технологических) жидкостей из высококачественного сырья, определение параметров и оперативный контроль их качества в процессе бурения, обработка разнообразными химическими реагентами, − все это требует глубоких знаний аналитической, физической и коллоидной химии, а также компетенций, опыта и интуиции на их основе. Эта задача может быть решена только при хорошем знании методов анализа основных технологических параметров и качества промывочных жидкостей при условии приобретения и закрепления практических навыков их определения. 7

Раздел 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЫВОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Измерение основных параметров промывочных (технологических) жидкостей является необходимой процедурой в практике бурения скважин. Техника измерения большинства параметров достаточно проста, но недостаточное знание методики замеров может стать причиной ошибок и неправильных рекомендаций по регулированию свойств промывочных жидкостей, что, в свою очередь, снижает эффективность бурения и является причиной большинства аварий при буровых и ремонтных работах. Процесс контроля параметров промывочных (технологических) жидкостей заключается в том, что через определенное время из системы циркуляции отбирают заданное количество проб и выполняют измерения с помощью приборов и устройств. По результатам измерений находят средние значения параметров и, в зависимости от положения этих значений относительно заданных границ, принимают решение об их регулировании. Основным средством получения и регулирования свойств промывочных (технологических) жидкостей является химическая обработка. Круг вопросов, решаемых химической обработкой промывочных(технологических) жидкостей, очень широк, и проблемы этой обработки занимают важное место в технологии промывки скважин. Основной задачей химической обработки является получение промывочных (технологических) жидкостей с необходимыми свойствами, отвечающими реальным условиям их применения. Под этим понимается не только придание им определенных физико-химических свойств (необходимых значений плотности, вязкости, показателя фильтрации, СНС, устойчивости к концен8

трационному загущению, температурной и солевой агрессии), но и способности повышать буримость горных пород, устойчивость стенок скважин, препятствовать ухудшению проницаемости призабойной зоны. Например, величина плотности промывочной (технологической) жидкости определяет гидростатическое давление на забой и на стенки скважины столба промывочной жидкости (Ргс): Pгc = ρ ⋅ g ⋅ H, Па,

(1.1)

где ρ – плотность промывочной жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Н – высота столба промывочной жидкости, м. Для предупреждения флюидопроявлений, гидростатическое давление столба промывочной жидкости должно превышать пластовое (поровое) давление Рпл. Пластовое (поровое) давление создается пластовыми флюидами (нефтью, газом, водой) и направлено на стенки пор горной породы. Различают нормальное Pплн (НПД), аномально высокое Pпла.в. (АВПД) и аномально низкое Pпла.н. (АНПД) пластовое давление. Градиент нормального пластового давления принят равным 0,01 МПа/м, что эквивалентно гидростатическому давлению, создаваемому столбом жидкости, имеющей плотность 1000 кг/м3 (столбом пресной воды). Степень отклонения величины пластового давления от нормального характеризуется коэффициентом аномальности пластового давления: Kа =

Рпл н

Рпл

9

=

Рпл , 1000⋅ g ⋅H

(1.2)

Очевидно, что для АВПД значение Кан >1, а для АНПД Кан < 1. По правилам безопасности в нефтяной и газовой промышленности при бурении скважин на нефть и газ плотность промывочной жидкости в интервалах совместимых условий бурения должна определяться из расчета создания столбом промывочной жидкости гидростатического давления в скважине, превышающего пластовое (поровое) давление на величину: 10–15 % для скважин глубиной до 1200 м (для интервалов от 0 до 1200 м), но не более 1,5 МПа; 5–10 % для скважин глубиной до 2500 м (для интервалов от 1200 до 2500 м), но не более 2,5 МПа; 4–7 % для скважин глубиной более 2500 м (для интервалов от 2500 и до проектной глубины), но не более 3,5 МПа. Отклонения от этих требований допускаются только при возникновении поглощения промывочной жидкости в процессе бурения (с выходом или без выхода циркуляции) и при целенаправленной минимизации депрессии на продуктивные пласты в процессе их вскрытия. По тем же правилам безопасности в интервалах, сложенных глинами, аргиллитами, глинистыми сланцами, солями, склонными к потере устойчивости и текучести, плотность, показатель фильтрации, состав промывочной жидкости принимаются, исходя из необходимости обеспечения устойчивости стенок скважины. Однако депрессия при этом не должна превышать пределов, установленных для интервала совместимых условий. Иными словами, с позиций обеспечения устойчивости стенок скважин депрессия может быть больше минимально необходимой для предотвращения флюидопроявлений, но при этом не выходить за пределы максимально допустимой. Чтобы получить промывочную жидкость соответствующего качества, ее подвергают первичной химической обработке. Одна10

ко в процессе бурения в промывочную жидкость переходит часть выбуренной породы, различные соли, содержащиеся в пластовых водах и породе. Поэтому свойства промывочной жидкости меняются и их приходится поддерживать путем дополнительной химической обработки. Таким образом, основное назначение первичной химической обработки или общие задачи химической обработки – обеспечение необходимых свойств и стабилизация промывочной жидкости как дисперсной системы, а дополнительное – изменение структурно-механических, фильтрационных и других свойств этой системы с учетом в каждом конкретном случае разнообразных горно-геологических и технических условий. Эти две задачи взаимосвязаны. Параметры бурового раствора, подлежащие контролю, можно разделить на три группы. К первой группе относятся параметры, контроль которых обязателен для всех скважин: плотность, условная вязкость, статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин, показатель фильтрации, толщина фильтрационной корки, концентрация водородных ионов, концентрация твердых примесей. Ко второй группе относятся специальные параметры, контроль которых обязателен для скважин с осложненными геологическими условиями (высокая минерализация напорных пластовых вод, поглощения, газо-, нефте- и водопроявления и др.). Эта группа параметров включает: показатель фильтрации при повышенных температурах, предельное динамическое напряжение сдвига, пластическую вязкость, степень минерализации, содержание газа, ионов кальция, магния, натрия, хлора, калия, сульфита, твердой фазы и её состав, нефти, напряжение пробоя (для эмульсионных растворов). 11

К третьей группе относятся факультативные параметры, дающие дополнительную информацию о свойствах бурового раствора. Эта группа включает: динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость при повышенных температурах и давлениях, статическое напряжение сдвига при повышенных температурах и давлениях, вязкость при низкой скорости сдвига, смазочную способность и напряжение сдвига фильтрационной корки. Основная задача при выполнении лабораторных работ по этому разделу – закрепление у студентов знаний о химических реагентах (получение и анализ), физико-химических основах их применения при бурении скважин, определение физико-химических характеристик (параметров) промывочных (технологических) жидкостей.

12

Лабораторная работа № 1.1 Определение плотности промывочных технологических жидкостей Цель работы – определение различными способами плотности исходной глинистой суспензии (50–100 г/л), расчет необходимого количества реагентов и приготовление промывочной (технологической) жидкости на базе глинистой суспензии. Сущность метода – измерение массы фиксированного объема промывочной жидкости. Для измерения плотности промывочных (технологических) жидкостей используют ареометры, рычажные весы, пикнометры и т.п. Плотность промывочной жидкости это масса единицы ее объема. Единицей измерения плотности в системе СИ является кг/м3. Относительной плотностью промывочной жидкости (ПЖ) называется отношение плотности бурового раствора к плотности пресной воды. Аппаратура и реактивы Лабораторная мешалка двухлопастная со скоростью вращения до 2000 мин–1; пикнометры; рычажные весы – плотнометр ВРП-1, ПП-1; аналитические весы с точностью до 0,0001 г; стеклянные (пластмассовые) стаканы емкостью 250 и 500 мл; ареометр АБР-1; индикатор плотности (плотномеры АВП-1, ПП-1); бентонитовый порошок марки ПБМВ (выход раствора не менее 12,0 м³/т); карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ); полианионная целлюлоза (ПАЦ); карбоксиметилированный крахмал (КМК-Бур); KCl; NaCl; CaCl2 ; СaCO3 (мел); глинопорошок.

Методика выполнения работы и обработка результатов Приготовление промывочной жидкости (ПЖ) Предварительно приготавливается 5–10% масс. (50–100 г/л) суспензии глины (глина с выходом раствора не менее 12–16 м³/т) в пресной воде. 13

В стеклянный стакан наливается расчетное количество пресной воды (97 % масс.); стакан устанавливается на подъемный столик, в него опускается лопастная мешалка. При работе лопастной мешалки в стакан вводится расчетное количество глинопорошка, взвешенного на технических весах (до 0,01 г). Скорость вращения мешалки 2000 мин-1. После введения всего количества глины перемешивание продолжают ещё в течение 60 мин, а затем стакан с суспензией глины закрывают крышкой и выдерживают в течение суток для набухания глин (готовится лаборантом практикума). Студент получает задание от преподавателя на приготовление ПЖ (плотность, тип и количество полимера см. табл. 1.1), проводит измерение плотности глинистой суспензии и расчеты по определению количества реагентов и объемов суспензии и воды для разбавления. Перед введением полимера глинистую суспензию перемешивают на лопастной мешалке в течение 15 мин (скорость вращения мешалки 2000 мин–1), после чего скорость мешалки снижают до 800–1000 мин–1 и вводят расчетное количество водорастворимого полимера, затем перемешивание продолжают ещё в течение 30 мин. Определение плотности и рекомендуемых параметров для ПЖ повторяют ещё раз. Определение плотности промывочной жидкости Для измерения плотности промывочных жидкостей используют ареометр АБР-1, рычажные весы – плотномер ВРП-1, пикнометр, плотномеры АВП-1, ПП-1, индикатор плотности или их импортные аналоги. Плотность у промывочных жидкостей на водной и углеводородной основе замеряется: 14

• На желобе (на устье у выходящего из скважины раствора) до и после вибросит. • В емкостях (при необходимости, при бурении морских скважин на РУО). Допускаемая погрешность ± 0,01 г/cм3, 10 кг/м3). Определение плотности ПЖ пикнометром Плотность промывочной жидкости в лаборатории измеряют пикнометром при температуре 20 °С. Пикнометр представляет собой стеклянный сосуд с притертой пробкой и меткой на шейке. Для определения плотности жидкости необходимо взвесить чистый и сухой пикнометр, заполнить его жидкостью до метки, закрыть пробкой, вытереть досуха и взвесить. Плотность жидкости (ρ) рассчитывается по формуле:

ρ=

Р 2 − Р1 Vп

, г/см3 ,

(1.3)

где P1 – масса пустого пикнометра, г; P2 – масса пикнометра с жидкостью, г; Vп – объем пикнометра, см3. Если объем пикнометра (Vп ) заранее неизвестен, то он определяется следующим образом. Необходимо взвесить чистый сухой пикнометр, заполнить его дистиллированной водой выше метки и выдержать в водяной бане при температуре 15 °С не менее 15мин, отобрать при помощи фильтровальной бумаги избыток воды, закрыть пикнометр пробкой, вытереть досуха и взвесить. Объем пикнометра (Vп ) определяется по формуле:

V= ( P2′ − P1 ) ρ, см3, п

(1.4)

где P1 – масса пустого пикнометра, г; P2′ – масса пикнометра с ди15

стиллированной водой, г, ρ – плотность воды при 15 °С, равна 1,000 г /см3. Пример расчета плотности бурового раствора с содержанием 1% КМЦ:

P1 = 21,2345 г;

P2′ = 47,0280 г; P2 =47,6161г;

V= ( P2′ − P1 ) ρ = (47,0280−21,2345)*1,000 = 25,7935 см3; п = ρ

Р 2 − Р1

= Vп

47,6161− 21,2345 = 1,0228 г/см3=1023 кг/м3. 25,7935

Для жидкостей, обладающих высокой вязкостью, можно вместо пикнометра использовать кювету с хорошо подогнанной крышкой (или металлический цилиндр с подогнанной крышкой с отверстием). Кювета заполняется жидкостью доверху, избыток жидкости снимается крышкой кюветы. Расчет плотности аналогичен расчету для пикнометра. Определение плотности ПЖ рычажными весами Рычажные весы-плотномер ВРП-1 (Фанн) (рис. 1.1, 1.2) состоят из подставки 1 и подвижной части, представляющей собой рычаг 2 с жестко закрепленным на нем мерным стаканом 3 с крышкой 4. Подвижная часть весов с помощью одной из призм 5 опирается на вкладыш 6, укрепленный на подставке. На рычаге весов нанесены две шкалы 7 с разными диапазонами измерений: верхняя шкала от 800 до 1600 кг/м3, нижняя – от 1600 до 2600 кг/м3. Замеры по верхней шкале осуществляются путем установки рычага на правую призму и перемещением движка 8, замеры по нижней шкале – установкой рычага на левую призму и перемещением движка 8. Подвижная часть весов считается уравновешенной при установке рычага в горизонтальное положение, что 16

Рис. 1.1. Рычажные весы-плотномер ВРП-1: 1 – подставка; 2 – рычаг; 3 – стакан; 4 – крышка; 5 – призма; 6 – вкладыш; 7 – шкала

Рис. 1.2. Рычажные весы Фанн

определяется по закрепленному на рычаге уровню 9 (пузырек в ампуле уровня должен находиться между двумя центральными рисками). Техническая характеристика рычажных весов – плотномера ВРП-1 Диапазон измерения плотности, кг/м3………………………. 800−2600 Цена деления шкалы, кг/м3…………………………………... 10 Цена деления нониуса, кг/м………………………………….. 1 Вместимость мерного стакана, см3………………………….. 150±0,2 17

Порядок выполнения работы Устанавливают подставку весов на столе. Мерный стакан и крышку промывают водой и насухо вытирают. Заливают в мерный стакан предварительно перемешанную пробу промывочной жидкости и закрывают его крышкой. Излишки промывочной жидкости, вытекающие через специальное отверстие в крышке, удаляют сухой тряпочкой. Подвижную часть весов устанавливают на подставке правой призмой. Передвигая движок влево или вправо, приводят рычаг в положение равновесия и снимают показания плотности промывочной жидкости по верхней шкале. Если плотность промывочной жидкости окажется большей, чем предел измерения по верхней шкале, то подвижную часть весов необходимо переставить на левую призму и, добившись положения равновесия рычага перемещением движка, снять показания по нижней шкале. Точность показаний рычажных весов периодически контролируют с помощью дистиллированной воды, плотность которой при температуре 20 ±2 °С должна быть равна 1000±5 кг/м3.

18

19

Бентонит КМЦ-9 С Бентонит КМЦ-9С Бентонит КМЦ—9С Бентонит КМЦ-9А Бентонит КМЦ-9А Бентонит КМЦ-9Б Бентонит КМЦ-9Б Бентонит КМК-Бур-1 Н Бентонит КМК-Бур-1Н Бентонит КМК-Бур-1В Бентонит КМК-Бур-2 Соли NaCl KCl Наполнитель Мел(CaCO3)

Полимер

19

50 0,3

г/дм3 %

г/дм3 г/дм3 г

2600,0

мл

мл

мл

%

%

%

%

%

%

1

Размерность

1190,0 1170,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600,0

2600

Плотность, кг/м3

Состав БПЖ

50 0,4

2

50 0,5

3

40 0,5

4

30 0,5

5

30 0,5

6

30 0,5

7

30

40 1

0,3

8

Содержание компонентов, номера составов

Варианты заданий для лабораторной работы № 1.1

30

40 1

0,3

9

30

40 1

0,3

10

Таблица 1.1

Лабораторная работа № 1.2 Определение содержания твердой фазы в промывочных технологических жидкостях Цель работы – определение содержания песка в промывочных (технологических) жидкостях, являющегося нежелательным абразивом для скважинного оборудования. Сущность метода – заключается в измерении объема осадка песка в разбавленной водой (углеводородным растворителем для РУО) промывочной (технологической) жидкости. Аппаратура и реактивы Отстойник ОМ-2 или прибор по стандарту АНИ; мерные стаканы или цилиндры емкостью 200 и 300 см3; фарфоровая ступка с пестиком; секундомер; электроплитка; приготовленная по заданию преподавателя ПЖ (ТЖ).

Методика выполнения работы и обработка результатов Определение содержания песка в отстойнике ОМ-2 Схема отстойника ОМ-2 приведена на рисунке 1.3. Параметры, используемые для количественного определения концентрации посторонних твердых примесей, получили название содержание «песка» и «отмытого песка». Порядок выполнения работы Промывают отстойник, заливают в него сначала 200−300 см3 воды, а затем полную крышку (50 см3) испытуемой промывочной жидкости (ПЖ), которую предварительно необходимо тщательно перемешать. Остатки промывочной жидкости на внутренних стенках крышки аккуратно смывают водой и вместе с нею выливают в отстойник. 20

Затем, держа отстойник вертикально, доливают воду до уровня отверстия на его боковой поверхности. После этого плотно закрывают отстойник крышкой, приводят его в горизонтальное положение отверстием вверх и интенсивно взбалтывают, прижимая крышку и закрыв боковое отверстие пальцем. 2

1

7 3 6 5 4

3

Рис.1.3. Металлический отстойник ОМ-2: 1 – цилиндр; 2 – крышка; 3 – пробирка; 4 – винт; 5 – опора; 6 – основание; 7 – резиновая прокладка

Устанавливают отстойник в вертикальное положение, встряхивают его несколько раз с целью удаления воздуха из пробирки и оставляют в покое на 1 мин. По истечении этого времени определяют по делениям на шкале пробирки объем осадка в см3. Удвоенный объем осадка составляет общее содержание посторонних твердых примесей в процентах: П = 2⋅VП, %,

(1.5)

где VП – объем осадка, см3 Содержимое отстойника выливают, промывают отстойник во21

дой и насухо вытирают. Для чистки или замены пробирки следует вывернуть винт, а затем последовательно извлечь опору, основание и пробирку. Перед сборкой, проводимой в обратном порядке, следует проверить исправность резиновой прокладки и при необходимости сменить ее. Под содержанием «отмытого песка» понимается концентрация в буровом растворе только частиц песка и выбуренной породы. После измерения содержания «песка» жидкость в отстойнике взбалтывают и делают паузу покоя в течение I мин, после чего жидкость с не осевшими частицами осторожно сливают. Оставшийся в отстойнике осадок смывают водой в фарфоровую ступку и отстаивают в течение 2–3 мин. Затем жидкость осторожно сливают, оставшийся в ступке осадок растирают пестиком, доливают воду и все перемешивают. Содержимое ступки отстаивают, мутную воду сливают и вновь производят растирание осадка. Операция повторяется до тех пор, пока не будет удалена вся глина, т.е. не будет мути в воде. Отмытый осадок переносят в отстойник ОМ-2, где разбавляют водой и определяют его объем VОП. Содержание «отмытого песка» в процентах составит: ОП = 2⋅Vоп, %.

(1.6)

Определение содержания песка по стандарту АНИ Этот метод позволяет определить содержание песчаных фракций в буровом растворе, имеющих размер частиц более 74 микрон. Для определения содержания песка используется градуированная туба, сетка с размером ячеек 200 меш (74 мкм) и воронка. Отстойник для определения содержания песка по стандарту АНИ изображен на рис. 1.4. 22

2 1

3 3

Рис. 1.4. Отстойник для определения содержания песка по стандарту АНИ: 1 – воронка; 2 – сито; 3 – измерительный цилиндр

Порядок выполнения работы: – заполняют стеклянную тубу исследуемой промывочной жидкостью до отметки «Mud to Here», затем доливают водой до отметки «Water to Here»; – закрывают верх тубы большим пальцем и энергично встряхивают; – после этого осторожно выливают суспензию на сито; жидкость, проходящая через сито, сливается; – в тубу вновь наливают воды, взбалтывают и выливают через сито; – эту процедуру повторяют до тех пор, пока песок не будет отмыт от глинистых частичек, о чем будет свидетельствовать прозрачная вода, вытекающая через сито. Допускается постукивание по корпусу цилиндра с ситом или дном цилиндра о поверх23

ность раковины. Механического усилия при пропускании через сито применять нельзя; – на верхнюю часть цилиндра с сеткой надевают воронку и переворачивают; – песчаные фракции, попавшие на сито при сливании суспензии и промытые водой от глинистых частиц, возвращают в тубу через воронку с помощью водной струи; Объемные проценты песчаных фракций считывают непосредственно по делениям внизу тубы, градуированной в процентах. После использования промывают и сушат тубу, сито и воронку.

24

Лабораторная работа № 1.3 Определение коллоидальности глин в промывочных технологических жидкостях Цель работы – определение концентрации (Ск,%, МТВ) коллоидных частиц в промывочных жидкостях (ПЖ). МТВ – величина, определяемая отношением количества глинистых частиц размером менее 2 мкм к общему количеству ПЖ. Сущность метода заключается в определении содержания коллоидной фракции бентонита по величине адсорбции на ней катионного ПАВ – метиленового синего (МС) – (C16H18N3SCl× ×3H2O), которая характеризует активную составляющую твердой фазы, наиболее влияющую на свойства ПЖ. Аппаратура и реактивы Колба Эрленмейера на 125 мл; обратный холодильник; воронка; мерный цилиндр на 25 мл; стеклянные палочки для перемешивания (4 шт); шприц аптечный на 2 мл с большим размером отверстия (или пипетка с обрезанным носиком); электроплитка или нагреватель для колб; конические колбы вместимостью 250 мл; цилиндры мерные на 25 и 50 мл; фильтровальная бумага средней плотности (белая лента); раствор метиленового синего (1 мл = 0,01 миллиэквивалента), содержащий 3,74 г метиленового синего (C16H18N3SCl·3H2O) на литр; пероксид водорода – 3 %-ный раствор; серная кислота, концентрированная или 5 н (для ее приготовления при медленном перемешивании вливают 14 мл концентрированной серной кислоты в 50 мл холодной дистиллированной воды и разбавляют до 100 мл); ПЖ по заданию преподавателя.

Методика выполнения работы и обработка результатов Определение концентрации коллоидных частиц в промывочных (технологических) жидкостях В среднем 1,0 г коллоидных частиц бентонита (размером менее 2 мкм) адсорбирует 59 мл МС 0,45 %-ной концентрации. Эта 25

величина принята стандартной при сравнительной оценке активности твердой фазы буровых растворов. Порядок выполнения работы: – отбирают шприцем или пипеткой 2,0 мл предварительно перемешанного бурового раствора и переносят его в чистую коническую колбу вместимостью 250 мл; – добавляют 15 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода и 0,5 мл 5 н раствора H2SO4, тщательно размешивают и кипятят ровно 4 минуты в колбе с обратным холодильником (стеклянной воронкой); – добавка пероксида водорода позволяет исключить влияние на результат таких реагентов, как гуматы, КМЦ, акриловые и лигносульфонаты, а добавка серной кислоты позволяет четко отбить точку конца титрования; – после охлаждения измеряют объём жидкости, разбавляют дистиллированной водой до 50 мл и титруют МС; – после каждой добавки МС раствор тщательно перемешивают короткое время (встряхиванием), затем стеклянной палочкой из колбы отбирают каплю и наносят её на фильтровальную бумагу; – при полной сорбции МС глиной данной пробы ПЖ от капли будет оставаться темный круг с четко очерченной границей и прозрачная вода; – титрование ведут до тех пор, пока от капли на фильтровальной бумаге не появится голубой ореол от избытка свободного МС. После этого, через 2 минуты лёгкого встряхивания необходимо отобрать повторную каплю; если ореол не исчезнет, то следует считать, что достигнут предел поглощения и титрование закончено, если же ореол исчезнет, следует продолжать титрование добавкой по 0,5–1,0 мл МС. Необходимо иметь в виду, что с начала титрования необходи26

мо добавлять в раствор по 0,5–1,0 мл МС, иначе результат определения может быть искажён. В некоторых случаях, например, в ПЖ большой плотности или с малым содержанием твёрдой фазы, когда концентрация коллоидных частиц мала, добавка МС по 1,0 мл может быть большой; в этом случае конец титрования можно определить только добавками части миллилитра МС, используя микробюретку. Объёмную концентрацию коллоидных частиц в ПЖ вычисляют по формуле:

= Ск 0,33 ⋅ V ,

(1.7)

где Ск – объёмная концентрация коллоидных частиц в ПЖ, %; V – объём МС на титрование 2 мл исследуемого раствора, мл. Перевод объёмной концентрации коллоидных частиц в массовую концентрацию производят по формуле:

T= Ск ⋅ ρгл , к

(1.8)

где Тк – массовая концентрация коллоидных частиц в ПЖ, %; ρгл – плотность глины, равная 2,6 г/см3. Определение катионообменной емкости (МВТ) по АНИ (рис. 1.5) Порядок выполнения работы: – 2,0 мл свежеперемешанной ПЖ помещают в колбу Эрленмейера и разбавляют 10,0 мл дистиллированной воды. Добавляют 15 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода и 0,5 мл 5 н серной кислоты. Смесь кипятят в течение 10 минут, охлаждают до комнатной температуры и разбавляют дистиллированной водой до 50 мл; – раствор метиленового синего в количестве 0,5 мл добавляют в колбу с разбавленным буровым раствором с интервалом 30 се27

кунд. Смесь взбалтывают, чтобы коллоидные частицы твердой фазы суспензии быстрее обменялись катионами; – стеклянной палочкой наносят капли на фильтровальную бумагу до появления устойчивого голубого ореола; – емкость поглощения метиленового синего определяют как отношение объема раствора метиленового синего, пошедшего на титрование, к объему исследуемого раствора (МС/2); – концентрацию бентонита в растворе, кг/м3 вычисляют путем умножения емкости поглощения метиленового синего на 14,25.

Рис. 1.5. Определение катионообменной емкости (МВТ) Лабораторная работа № 1.4

28

Лабораторная работа № 1.4 Определение флокулирующей способности химических реагентов Цель работы – оценка эффективности различных коагулянтов и флокулянтов для удаления (дестабилизации) коллоидной (глинистой) фазы в промывочных жидкостях или жидких отходах нефтегазодобывающей отрасли. Сущность метода – в определении времени осаждения частиц и объема осветленной части за определенный промежуток времени при введении коагулянтов и флокулянтов в промывочные жидкости (ПЖ) или буровые сточные воды (БСВ). Аппаратура и реактивы Секундомер; лабораторная мешалка; стеклянные стаканчики вместимостью 250 мл (2 шт); колба или склянка (пластмассовая бутылочка) 250 мл (2 шт); пипетки ( на 1,0 и 2,0 мл); стеклянные мерные цилиндры с пробкой на 50 (100) мл (10 шт); коагулянты (по заданию преподавателя) (табл. 1.2.); Al2(SO4)3; Fe2(SO4)3; Al(OH)Cl2 – (аквааурат); флокулянты (по заданию преподавателя) (табл. 1.2) – катионные, анионные полиакриламиды или их производные.

Методика выполнения работы и обработка результатов Исследования проводят по заданию преподавателя (см. лаб. работа № 1.1) на ПЖ – глинистой суспензии с малым содержанием твердой фазы (3,0–5,0 %). Исходную ПЖ (глинистую суспензию) разбавляют до содержания твердой фазы 0,3–0,5%. Затем в разбавленную ПЖ вводят предварительно приготовленные растворы: коагулянта, флокулянта или одновременно оба реагента (по заданию преподавателя). Полученные суспензии интенсивно встряхивают в течении 10 с, а затем наблюдают за ходом процесса разделения суспензии на фазы (седиментация). Каждый опыт 29

проводится в течение 30 минут, объем осветленной части фиксируется сначала каждую минуту, а затем, начиная с пятой минуты, каждые пять минут. Пример. В мерный стеклянный цилиндр (не менее 3 проб) объемом 50,0 мл вводят 5,0 мл 4%-ной исходной ПЖ, затем добавляют 43,25 мл дистиллированной воды, закрывают цилиндр резиновой пробкой и тщательно встряхивают несколько раз для получения гомогенной смеси. Затем вводят пипеткой по 0,75 мл раствора коагулянта и 1,0 мл раствора флокулянта: сначала расчетное количество коагулянта, а затем, через 1,5–2,0 мин, расчетное количество флокулянта. Испытания проводят с различными дозами и различными соотношениями коагулянта и флокулянта. Для проведения лабораторных исследований необходимо приготовить 0,5%-ые водные растворы коагулянтов и флокулянта (по заданию преподавателя). Растворы получаются путем механического перемешивания в стеклянном стакане на 250 см3 1,0 г реагента в 200 мл воды. Готовый раствор не должен содержать остатков нерастворенного реагента и посторонних механических примесей. Коэффициент осаждения (флокуляции) вычисляют по формуле:

К = ф

Vосв ⋅ 100% , V

(1.9)

Vосв ⋅ 100% , τ

(1.10)

где Vосв – объем осветленной части суспензии, мл; V – полный объем ПЖ (суспензии), мл. Скорость осаждения вычисляют по формуле:

Θф=

где Vосв – объем осветленной части суспензии, мл; τ – время осветления ПЖ (суспензии), мин. 30

31

Реагенты Аквааурат С-444 Аквааурат С-446 Аквааурат С-496 Аквааурат А-110 Аквааурат А-120 Аквааурат А-130 Реагенты Аквааурат Chimeko Аквааурат Chimeko Аквааурат Chimeko Аквааурат Chimeko Cульфат Al Chimeko Cульфат Fe Chimeko

Размерность мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл Размерность мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл мл 12 0,75 1,0

1 0,75 1,0

0,75 2,0

13

0,75 1,0

2

0,75 3,0

14

0,75 1,0

3

31

0,75 1,0

15

0,75 1,0

4

0,75 1,0

16

0,75 1,0

5

0,75 1,0

0,75 1,0 17

6

1,0

18

1,5

1,0

0,75

7 0,5

8

1,5

1,0

0,5

19

1,5

1,0

0,5

Варианты заданий для лабораторной работы № 1.4 Содержание компонентов, номера составов

20 1,5 1,0

9 1,5 1,0

21 1,5 1,5

10 1,5 1,5

22 0,5 1,0

11 0,5 1,0

Таблица 1.2

Результаты испытаний заносят в таблицу 1.3, по ним строят графики зависимости Vосв = f (τ), Кф = f (τ), Θф = f (τ) и делают выводы об эффективности обработок. Таблица 1.3 τ, мин 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 10,0 … 30,0

Результаты исследований Vосв, мл Кф , %

32

Θф, мл/мин

Лабораторная работа № 1.5 Оценка реологических свойств промывочных технологических жидкостей Цель работы – определение условной вязкости и стандартных реологических показателей ПЖ (ТЖ) различными способами. Сущность метода заключается в измерении, вязкости (в т.ч. условной) и других структурно-механических свойств ПЖ (ТЖ) на ротационных вискозиметрах. Аппаратура и реактивы Лабораторная мешалка; воронка Марша (вискозиметр ВБР-1); ротационный вискозиметр FANN 35 A или 35-SA; FANN 70 HTHP; секундомер; ПЖ, приготовленная по заданию преподавателя ( см. лаб. раб. № 1.1).

Методика выполнения работы и обработка результатов Определение условной вязкости промывочных жидкостей Условная вязкость – величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению жидкостей. В отечественной практике условная вязкость (УВ, с) определяется временем истечения 500 см3 промывочной жидкости через вертикальную трубку 2 вискозиметра ВБР-1 из воронки 1, заполненной 700 см3 промывочной жидкости (рис. 1.6). В состав ВБР-1 также входят мерная кружка 3 и сетка 4. Техническая характеристика вискозиметра ВБР-1 Постоянная вискозиметра (время истечения 500 см3 дистиллированной воды при температуре 20 ± 5 °С), с……………………………….. Абсолютная погрешность постоянной вискозиметра, с…………….. Диаметр отверстия трубки вискозиметра, мм………………….…….. Длина трубки вискозиметра, мм..................…………………….…….. Вместимость при температуре (20 ± 5) °С, см3: – воронки вискозиметра................................………………………... – мерной кружки..................................………………………………. 33

15,0 ±0,5 5,0 100,0 700,0 500,0

Порядок выполнения работы Воронку вискозиметра и мерную кружку промывают водой. Готовят пробу промывочной жидкости, тщательно перемешивают ее и, закрыв отверстие трубки пальцем, через сетку заливают исследуемую жидкость в воронку до перелива. Подставляют мерную кружку под трубку вискозиметра. Убрав палец, открывают отверстие трубки и одновременно другой рукой включают секундомер. В момент заполнения кружки до краев промывочной жидкостью останавливают секундомер, закрывают отверстие трубки пальцем и фиксируют показания секундомера. За условную вязкость промывочной жидкости принимается среднее значение результатов трех измерений, отличающихся не более чем на 2 с. После каждого измерения мерную кружку необходимо ополаскивать водой. Периодически проверяют постоянную вискозиметра в таком порядке: воронку вискозиметра подвешивают на стойке в вертикальном положении (отклонение от вертикали не должно превышать 10 град), закрывают отверстие трубки пальцем и заливают в воронку до перелива дистиллированную воду (допускается использование чистой пресной воды). Под трубку вискозиметра ставят мерную кружку, открывают отверстие трубки и одновременно включают секундомер. Производят не менее трех замеров, среднее значение которых для пригодного к работе вискозиметра должно составлять (15,0 ± 0,5) с. Вискозиметр ВБР-1 используется для регулярных измерений условной вязкости на каждой буровой установке и в лабораторных условиях. За рубежом условную вязкость промывочных жидкостей измеряют с помощью воронки Марша, которая, в отличие от ВБР-1, 34

4

1

2

3

Рис. 1.6. Вискозиметр:

Рис.1.6. Вискозиметр ВБР-1: ВБР-1 1 – воронка; 2 – трубка; 3 – мерная кружка; 4 – сетка

оснащена трубкой меньшей длины (50,8 мм) и меньшего диаметра (4,7 мм), но при этом ее воронка и мерная кружка имеют большую вместимость: соответственно 1500,0 и 946,0 мл. Постоянная воронки Марша, т.е. время истечения одной кварты (946,0 мл) пресной воды при температуре 21 ± 3°С, равна 26,0 ± 0,5 с. Порядок определения условной вязкости по воронке Марша аналогичен работе на ВБР-1 (рис.1.7) В практике получила распространение оценка текучести буровых растворов с помощью малой воронки (особенно для буровых растворов на углеводородной основе) внутренним диаметром 4,0 мм, которая снабжена трубкой длиной 20,0 мм. Условная вязкость по малой воронке, обозначаемая Т100, оценивается време35

нем истечения 100,0 мл бурового раствора из 200,0 мл промывочной жидкости, залитой в воронку.

Рис. 1.7. Воронка (вискозиметр) Марша

Определение реологических параметров ПЖ с использованием вискозиметра ротационного типа FANN модели 35-SA Для определения показателей реологических свойств БПЖ используют ротационные вискозиметры, выпускаемые отечественными компаниями ВСН-3 или американской компанией Fann Instrument (или Оффайт, Чандлер): FANN НС 34А и 34А; FANN 35A / SR12 и FANN 35-SA/SR12; при высоких температурах FANN 70 НТНР. Ротационный вискозиметр типа Fann Viscometer модели 35SA предназначен для определения реологических свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей при атмосферном давлении и температуре до 93,3 °С. Вискозиметры FANN 35A и 35-SA имеют шесть частот вращения гильзы (3, 6, 100, 200, 300, 600 мин–1) (рис.1.8). 36

Рис. 1.8. Общий вид вискозиметра FANN-35 SA

В работе используются три скорости: для измерения пластической вязкости ηпл и предельного динамического напряжения сдвига наружный цилиндр вращается со скоростью 600 и 300 об/мин, а для измерения предельного статического напряжения сдвига используется минимальная скорость – 3 об/мин (переключение скоростей указано на схеме, изображенной на верхней части прибора, и при помощи тумблера, расположенного на нижней плите справа). Принцип действия прибора основан на измерении сдвиговых напряжений в контролируемой жидкости, расположенной между вращающимся цилиндром и измерительным цилиндром, связанным с цилиндрической пружиной кручения. Основной особенностью прибора типа FANN 35-SA является 37

то, что указанные на шкале прямые отсчеты углов закручивания внутреннего цилиндра (балансира) при различных скоростях вращения наружного цилиндра легко преобразовать в реологические показатели, не используя для этого каких-либо коэффициентов и констант прибора. Максимальная температура промывочной жидкости, исследуемой с помощью вискозиметров серии 35, может достигать 93,3°С. Нагрев пробы промывочной жидкости до требуемой температуры осуществляется непосредственно в стакане вискозиметра с помощью специального съемного нагревательного блока (рис 1.9).

Рис. 1.9. Специальный съемный нагревательный блок вискозиметра FANN 35 SA на различные объемы ПЖ(ТЖ)

Рабочий стакан внутри имеет линию уровня, до которой заливается испытуемый раствор (V = 350,0 мл или 200,0 мл). В свою очередь, линия, прочерченная на наружной стороне вращающегося цилиндра, указывает глубину погружения его в испытуемый раствор. Выше этой линии погружение вращающегося цилиндра запрещается. Вращающийся цилиндр снимается путем плавного выкручивания вниз. Переключение скоростей вращения наружного цилиндра осуществляется без отключения электродвигателя. 38

Порядок выполнения работы Рабочий стакан с залитым испытуемым раствором до обозначенной линии устанавливается в штатив и закрепляется винтом в таком положении, чтобы уровень раствора в стакане совместился с обозначенной линией на наружном вращающемся цилиндре. Убедившись в правильности сборки, прибор включают в электросеть. При измерении пластической вязкости и предельного динамического напряжения сдвига испытуемый раствор перемешивается при скорости вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а затем снимают устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600 и 300 об/мин. За устойчивые показания углов закручивания принимаются такие, величина которых при вращении наружного цилиндра в течение 3 минут не изменяется. Для определения статического напряжения сдвига используется частота 3 об/мин (выдержка пробы промывочной жидкости в покое в течение 10 и 600 с, что соответствует стандарту Американского нефтяного института (API)). Перед определением БПЖ перемешивают в течение 1 мин при 600 об/мин, затем, переключив скорость вращения на 3 об/мин (путем поднятия красного шарика из нулевого положения на 3 см вверх), выключают электромотор, оставляют раствор в покое на нужное время тиксотропного упрочнения (10 мин и 10 с), после чего включают мотор и снимают показания шкалы в момент разрыва геля (максимальное значение, предшествующее разрушению структуры). Расчеты показателей реологических свойств проводят по формулам:

η = ϕ600 − ϕ300 , мПа⋅с,

(1.11)

τ0 =ϕ ( 300 − η) ⋅ 4,88 , дПа,

(1.12)

39

AV =

ϕ600 , 2

(1.13)

где η – пластическая вязкость, мПа·с; ϕ600, ϕ300 – значения углов поворота шкалы вискозиметра при частотах вращения гильзы, соответственно 600 и 300 мин–1, град; τ0 – динамическое напряжение сдвига, дПа; AV – эффективная вязкость, мПа·с. Стуктурно-механические свойства рассчитывают по формуле:

СНС1(10)= K ⋅ ϕ1(10) ⋅4,88, дПа,

(1.14)

где ϕ1, ϕ10 – значения углов поворота шкалы вискозиметра при частоте вращения гильзы при 3,0 об/мин, град соответственно за 10 с и 10 мин покоя. Кроме названных показателей структурно-механические свойства промывочных жидкостей характеризуют коэффициентом тиксотропии: СНС10

КТ =

СНС1

.

(1.15)

Рекомендуются значения Кт = 1–2, т.е. величина СНС10 не должна превышать величину СНС1 более чем в два раза, при этом предпочтение следует отдавать БПЖ, коэффициент тиксотропии которых близок к единице. Коэффициент пластичности промывочной жидкости (КП) определяется величиной отношения динамического напряжения сдвига к пластической вязкости:

КП =

τ 0 –1 ,с . η

(1.16)

С ростом коэффициента пластичности увеличивается транспортирующая способность потока, а также гидродинамическое давление струй промывочной жидкости, выходящих из насадок долота, что обеспечивает более эффективное разрушение горных пород на забое и рост механической скорости бурения. При этом 40

высокие значения коэффициента пластичности желательно поддерживать путем снижения пластической вязкости промывочной жидкости, а не увеличения ее динамического напряжения сдвига. Часто вискозиметры для ПЖ считывают вязкость непосредственно только при 300 об/мин. Вязкость при оборотах, отличных от 300 об/мин, можно определить из выражения: R ⋅ 300 , N

ηN =N

(1.17)

где ηN – эффективная вязкость при числе оборотов в минуту N, мПа·с; RN – показание вискозиметра при N – числе оборотов в минуту; N – число оборотов в минуту Для адекватной оценки напряжений при низких скоростях сдвига некоторые фирмы рекомендуют использовать вискозиметр Брукфильда (Brookfield), как обеспечивающий чрезвычайно низкий градиент скорости сдвига. Данные измерений по Брукфильду позволяют наиболее точно измерить динамическое напряжение сдвига, имеющее большое значение при бурении горизонтальных скважин (ГС). Существует прямая связь между динамическим напряжением сдвига (ДНС), ВНС и качеством очистки скважины. Высокие значения вязкости при низких скоростях сдвига (ВНС) обеспечивают хорошую выносящую способность. Для полной очистки скважины вязкость раствора должна составлять минимум 40000 мПа·с (при скорости сдвига 0,0636 с–1). Для расчета вязкости в затрубном пространстве можно использовать и показания вискозиметра при 600 и 300 об/мин. Для этого в начале определяется скорость сдвига в затрубном пространстве, которую, в эквивалентных об/мин вискозиметра, можно рассчитать по уравнению: 41

2 3 Nx = 0,152 Q / ( Д 3с − Д с2 dнтр – Дс dитр + dитр ),

(1.18)

где Q – производительность насосов, м3/мин; Дс, dнтр – диаметры скважины и наружный бурильных труб, м; Nx – эквивалентное число оборотов, об/мин. Эффективную вязкость при найденном эквивалентном числе оборотов можно определить, используя следующую зависимость:



 R600   N 600    ⋅ lg   R N  300   x  

300 ⋅  0,301 ⋅ lg R600 − lg 

ηэфN x = 

0,301 ⋅ N x

,

(1.19)

где R – показания вискозиметра при 600 и 300 об/мин; N – число оборотов в минуту. Расчет скорости сдвига и вязкости в сегменте затрубного пространства с самым большим поперечным сечением стал обычным для зарубежных фирм. А контроль вязкости в этой секции ствола стал важным фактором регулирования. Скорость сдвига в затрубном пространстве, выраженная эквивалентных об/мин, и вязкость в затрубном пространстве должны стать частью обычных отчетов по бурению и буровым растворам. Расчеты значений п и К Буровые растворы в диапазоне скоростей сдвигов, развиваемых в скважине, являются псевдопластичными и подчиняются степенному реологическому закону (модель Оствальда-де Ваале): τ = Кγn,

(1.20)

где τ – напряжение сдвига; γ – скорость сдвига; К – показатель консистенции, характеризующий степень разжиженности материала. Чем выше значение К, тем более вязкой является жидкость. Параметр n характеризует отклонение физических свойств ма42

териала от поведения ньютоновской жидкости: чем меньше единицы значение n, тем более псевдопластичной является жидкость. Для оценки реологических свойств с помощью степенного закона, на основании реометрических показателей строится график τ = f(γ) в двойных логарифмических координатах. Величина n на графике есть угол наклона фигуративной линии к оси напряжений, а К есть отрезок, отсекаемый этой линией на оси напряжений. Константы n и К следует рассчитывать на основе двух любых показаний вискозиметра при двух различных скоростях оборотов ротора:

n=

K=

lg ( R2 / R1 ) lg( N 2 / N1 )

,

5,1R2 , n (1,7 ⋅ N 2 )

(1.21)

(1.22)

где R1 – показания вискозиметра при N1 об/мин; R2 – показания вискозиметра при N2 об/мин. Если измерение производится при числе оборотов 600 и 300, то вычислить n и К можно по следующим зависимостям:

R  = n 3,32 ⋅ lg  600  ,  R300  K=

5,1 ⋅ R600 (1022)

n

.

(1.23) (1.24)

Определив значение n и К можно найти эффективную вязкость: ηэф = К (γ)n–1. 43

(1.25)

Совокупность значений, полученная по результатам реометрических измерений с помощью того или иного ротационного вискозиметра, может быть аппроксимирована любой из известных реологических моделей, описывающих связь τ0 = τ(γ). Для определения реологических и структурно-механических свойств промывочных жидкостей при более высоких температурах (до 260°С) и давлениях (до 20 Мпа) служит вискозиметр FANN 70 НТНР.

44

Лабораторная работа № 1.6 Определение показателя фильтрации промывочных технологических жидкостей Цель работы – определение показателя фильтрации и толщины корки для ПЖ. Показатель фильтрации Ф (мл/30 мин) численно равен объему фильтрата, прошедшего за 30 мин через фильтрационную корку на фильтре стандартного диаметра (75 мм) при определенном перепаде давления ∆Р. Сущность метода заключается в оценке фильтрационно-коркообразующих свойств промывочных жидкостей, измеренных по объему фильтрата, прошедшего через специальный фильтр, и толщины корки на фильтре при заданном давлении и температуре. Аппаратура и реактивы Лабораторная мешалка; секундомер; фильтровальная бумага или специальные фильтры; фильтр-пресс ФП-1М; портативный фильтр-пресс OFFITE; прибор ВИКА ИВ-2; металлическая линейка с миллиметровыми делениями; штангенциркуль с глубиномером; ПЖ, по заданию преподавателя ( см. лаб. раб. № 1.1).

Методика выполнения работы и обработка результатов При бурении имеют место три вида фильтрации: статическая, происходящая при остановках циркуляции промывочной жидкости в скважине; динамическая – в условиях циркуляции, мгновенная – при скалывании породы вооружением долота. Между тем, фильтрационно-коркообразующие свойства промывочных жидкостей традиционно характеризуются лишь показателем статической фильтрации и толщиной фильтрационной корки. Объясняется это тем, что для моделирования динамических условий необходимо сложное, громоздкое и дорогостоящее 45

оборудование. Единственный на сегодня серийно выпускаемый прибор для определения динамической фильтрации (FANN Model 90 Dynamic Filtration System) имеет габаритные размеры 305× 455×711 мм и массу 77,0 кг. В отечественной практике показатель фильтрации принято измерять с помощью прибора ВМ-6 при ∆Р = 0,1 МПа. Для измерения показателя фильтрации при более высоком, чем в приборе ВМ-6, перепаде давления используют фильтр-пресс ФЛР-1. Создаваемый в нем перепад давления равен 0,7 МПа, что является стандартной величиной при измерении показателя фильтрации в зарубежной практике. Однако следует отметить, что в целом скорость фильтрации значительно менее чувствительна к перепаду давления, чем к температуре. Рост температуры приводит к существенному увеличению скорости фильтрации по нескольким причинам. Вопервых, с увеличением температуры снижается вязкость фильтрата. Это, в свою очередь, вызывает снижение гидравлических сопротивлений при движении фильтрата в поровых каналах фильтрационной корки (пласта), в результате чего накопленный объем фильтрата увеличивается. Во-вторых, с повышением температуры значительно возрастает степень флокуляции частиц твердой фазы промывочных жидкостей, что вызывает увеличение проницаемости их фильтрационных корок. В-третьих, при высоких температурах возможна термодеструкция химических реагентов – понизителей фильтрации, приводящая к полной потере их функций и, соответственно, к резкому росту фильтрационных потерь. Таким образом, существенное влияние температуры и перепада давления на скорость фильтрации очевидно. В этой связи, кроме прибора ВМ-6 и фильтр-пресса ФЛР-1(ФП – 1М), для измерения величины показателя фильтрации используют еще и 46

установку УИВ-2, позволяющую проводить испытания при температуре до 250°С и перепаде давления до 5,0 МПа. Исследования фильтратоотдачи буровых растворов с помощью фильтр-пресса ФП-1М Фильтр- пресс ФП-1М (далее – пресс), предназначен для оперативного определения фильтратоотдачи бурового раствора в полевых и стационарных условиях. Технические характеристики фильтр – пресса ФП – 1М Объем пробы раствора, мл ......................................... 150±3 Диаметр фильтра (решетки), мм ................................ 53±0.3 Давление в рабочей камере, Мпа............................... 0,7±0.025 Давление на входе в редуктор, Мпа .......................... не менее 3,0 Давление опрессовки, Мпа......................................... 15±1 Емкость баллона, мл ................................................... 350 Количество замеров при среднем расходе газа 20 мл при наличии давления в баллоне 11 Мпа....... 300 Температура окружающего воздуха, °С ................... +10÷35 Время фильтрования, мин .......................................... 30 Габаритные размеры, мм ............................................ 120×200×420 Масса, кг....................................................................... 3,5

Пресс (рис. 1.10) состоит из следующих основных узлов: подставки 1, стойки 2, соединительной гайки 3, редуктора 4, винта редуктора 5, манометров высокого 6 и низкого 7 давлений, перепускного клапана 8 с винтом 9, стакана 10, крышки 11, решетки 12, фильтровальной бумаги 13, уплотнительного кольца 14, баллона 15, штуцера 16, вентиля 17. Порядок выполнения работы Проверяют давление в баллоне 15 (оно должно быть не менее 1,0 МПа) для этого следует отвернуть вентиль 17 баллона 15 и по манометру высокого давления 6 определить его величину. 47

При необходимости баллон 15 может быть соединен с прессом шлангом высокого давления (до 16,0 МПа).

Рис. 1.10. Фильтр-пресс ФП-1М

Снимают стакан 10, выворачивают крышку 11, помещают на решетку 12 два кружка фильтровальной бумаги 13, смоченные водой, и прижимают уплотнительным кольцом 14. Заливают буровой раствор в стакан до кромки (при заполнении стакана раствором отверстие в бобышке закрыть пальцем). Закрывают стакан 10 крышкой 11 и вворачивают его в перепускной клапан 8. Отворачивают винт 9 до упора перепускного клапана 8. Под стакан устанавливают мензурку для сбора фильтрата. Открывают вентиль 17 баллона 15. Вращая винт 5 редуктора 4, медленно устанавливают по манометру 7 величину давления 0,7 МПа и включают секундомер (для увеличения давления винт заворачивают, для уменьшения – отворачивают). Если при установке давления 0,7 МПа наблюдается его рост, 48

необходимо вентиль баллона 17 закрыть и винтом 5 редуктора 4 установить давление 0,7±0,025 МПа, а при падении давления менее 0,7 МПа вентиль 17 баллона открыть. Через 30 минут заворачивают вентиль 17 баллона 15, закрывают винт 9 перепускного клапана 8 и одновременно выключают секундомер. Измеряют объем фильтрата. Если необходимо повторить измерение фильтрации, то выпускать газ из системы не обязательно. Для выпуска газа из системы низкого давления (снятия давления) необходимо винт 9 перепускного клапана 8 завернуть и после этого отвернуть стакан 10, затем вновь отвернуть винт 9 перепускного клапана 8 для сброса газа из системы высокого давления путем завинчивания винта 5 редуктора 4. После испытания стакан 10, крышку 11, решетку 12 и уплотнительное кольцо 14 промывают и протирают насухо. Фильтрация определяется количеством миллилитров фильтрата, выделившегося из пробы ПЖ за 30 мин. при перепаде давления 0,7 МПа: Ф = 2V,

(1.26)

где 2 – отношение площади стандартного фильтра ∅75 мм к площади фильтра пресса; V – объем фильтрата, полученный при измерении, мл; Измерение толщины и проницаемости фильтрационной корки Для измерения толщины фильтрационной корки можно использовать прибор ВИКА ИВ-2, металлическую линейку с миллиметровыми делениями, но предпочтительнее всего штангенциркуль с глубиномером. Прибор ВИКА ИВ-2 (рис. 1.11) состоит из основания 1, стой49

ки 2, в гнезде которой свободно перемещается шток 3; шкалы с миллиметровыми делениями 4, винта 5, держателя 6, указателя 7, пружинного рычага 8 и пестика 9.

Рис. Рис.3.11.Прибор 1.11. ПриборВика ВИКА ИВ-2

Порядок выполнения работы • Поверхностные слои фильтрационной корки смывают слабой струей воды, после чего помещают на стеклянную пластинку, и вместе с ней, – на основание 1 прибора ВИКА ИВ-2. • Освободив шток 3 нажатием на пружинный рычаг 8, следует упереть пестик 9 в поверхность стекла и отвернуть винт 5; затем перемещают держатель 6 до совпадения указателя 7 с нулем шкалы и заворачивают винт 5. • Приподнимают пестик 9 и приводят его в соприкосновение с поверхностью фильтрационной корки. Затормозив шток 3 пружинным рычагом 8, проводят отсчет по шкале прибора 4. • Перемещая стеклянную пластинку с фильтрационной коркой по основанию 1 прибора, измеряют толщину корки в шести точках и вычисляют ее среднее значение. 50

Исследования фильтратоотдачи буровых растворов с помощью портативного фильтр-пресса OFFITE Конструкция напорной камеры OFFITE позволяет разместить в ее нижней части фильтр диаметром 31/2 дюйма (9 см), через который происходит фильтрация ПЖ. Зона фильтрации составляет 7,1 ± 0,1 куб. дюйма (4580 ± 60 мм3). Определяющим конструктивным элементом зоны фильтрации служит фильтр. Давление можно создавать с помощью любой безопасной текучей среды, будь то газ или жидкость. Некоторые модели оснащены регуляторами давления в виде портативных баллонов, миниатюрных патронов с СО2 или гидравлических приспособлений (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Фильтр-пресс АНИ

Порядок выполнения работы • Проверяют, чтобы все детали камеры, особенно сетчатый элемент, находились в чистом и сухом состоянии, а прокладки 51

не были деформированы или изношены. Сетчатый элемент не должен иметь заостренных кромок, заусенцев и разрывов. • Собирают ячейку следующим образом: крышка основания, резиновая прокладка, сетчатый элемент, фильтр из фильтровальной бумаги, резиновая прокладка, корпус камеры. • Заполняют камеру предварительно перемешанным раствором так, чтобы до верхнего края оставалось 0,5 дюйма (13 миллиметров), что позволит свести к минимуму содержание в фильтрате СО2. Проверяют верхнюю крышку, убедившись в наличии резиновой прокладки и ее плотном прилегании по всему периметру, после чего завершают сборку. Помещают камеру в каркас, закрепив ее Т-образным винтом. • Подставляют под патрубок отвода фильтрата чистый сухой мерный цилиндр. • Закрывают обратный клапан, и устанавливают регулятор в положение, обеспечивающее создание давления в 100 ± 5 фунтов на кв. дюйм (690 ± 35 кПа) в течение 30-секундного или более короткого промежутка времени. Отсчет времени испытания ведут с момента исходной опрессовки камеры. • По истечении 30 минут проводят измерение объема собранного фильтрата. Перекрывают ток газа (азота или СО2) через регулятор давления и осторожно открывают обратный клапан. • Фиксируют объем собранного фильтрата по методике API, в мл, с точностью до 0,1 мл. Отмечают время проведения теста и исходную температуру бурового раствора в градусах Фаренгейта (Цельсия). Полученный фильтрат сохраняют для последующего химического анализа. • Необходимо удостовериться в полном сбросе давления в камере, после чего её вынимают из каркаса, разбирают, удаляют из неё остатки бурового раствора. Соблюдая повышенную осторожность, извлекают бумажный фильтр вместе с осадком так, 52

чтобы механическое воздействие на лепешку было минимальным. Промывают осевшую на фильтре корку струей воды под слабым напором или, если анализируемый буровой раствор имеет нефтяную основу, дизельным маслом. • Измеряют и фиксируют толщину фильтровальной корки с точностью до 1/32 дюйма (0,8 мм). Допустимой обычно считается толщина менее 2/32 дюйма. Описывают качественные характеристики фильтровальной корки: твердость (мягкость), прочность на разрыв, наличие скользкой поверхности, упругость, плотность, пористость.

53

Лабораторная работа № 1.7 Определение содержания ионов Са+2 и Mg+2 в фильтрате промывочных технологических жидкостей Цель работы – определение содержания в фильтрате ионов Са2+ и Mg2+, наличие и количество которых требует подбора типа обработки БПЖ для повышения их агрегативной устойчивости. Сущность метода − использование реакций ионов металлов с комплексонами, сопровождающихся образованием устойчивых малодиссоциированных, растворимых в воде, внутрикомплексных (хелатных) солей с трилоном Б. Аппаратура и реактивы Магнитная мешалка; бюретки; пипетки; мерная колба на 50 мл; конические колбы на на 50 мл (6 шт.); стеклянный мерный цилиндр на 25 мл; аммиачно-буферная смесь рН = 9; индикаторы – эриохром черный Т-раствор, мурексид кристаллический; натрия гидроксид NaOH, 1 н раствор; трилон Б (Na-ЭДТА) – 0,02 М раствор.

Методика выполнения работы и обработка результатов Титрование ЭДТА проводится при строго определенных условиях, из которых наибольшее значение имеет рН титруемого раствора. В сильнокислых растворах при рН10 наблюдается образование комплексных оксосоединений или осадков гидроксидов определяемых катионов. В качестве индикаторов (металл-индикаторов) используются органические красители, образующие с катионами сильно окрашенные менее стойкие комплексные соединения. Определение основано на предварительном выявлении обще54

го содержания ионов Са2+ и Мg2+ титрованием исследуемого раствора ЭДТА в присутствии индикатора эриохрома черного Т и последующем определении в отдельной пробе содержания ионов Са2+ титрованием ЭДТА в присутствии индикатора мурексида. Порядок выполнения работы Определение суммарного содержания ионов Са2+ и Мg2+ 1,0–2,0 мл фильтрата пипеткой переносят в коническую колбу вместимостью 50 мл, разбавляют водой до метки. В коническую колбу для титрования переносят пипеткой аликвотную часть раствора( 10,0 мл), добавляют 5,0 мл аммиачно-буферной смеси, 10 капель эриохрома черного Т и титруют стандартным раствором трилона Б до перехода красной окраски в синюю. Фиксируют объем трилона Б, пошедший на образование комплексов с ионами Са2+ и Мg2+. Опыт повторяют 3–5 раз и рассчитывают среднее значение V 1 . Определение содержания иона Са2+ В коническую колбу для титрования переносят аликвотную часть раствора, добавляют 5,0 мл 1 н. раствора NаОН и мурексида на кончике шпателя. Титруют стандартным раствором трилона Б до перехода красной окраски раствора в фиолетовую. Фиксируют объем трилона Б, пошедший на образование комплексов с ионами Са2+, поскольку при данных условиях комплекс с ионами Мg2+ не образуется. Опыт проводят 3–5 раз и рассчитывают среднее значение V 2 . Содержание определяемых катионов рассчитывают по формулам: 55

mСа 2+ =

mMg 2+ =

M ЭДТА × V 2 × Vк × М Са Vп

, мг,

M ЭДТА ⋅ (V 1 − V 1 )Vк × М Mg Vп

, мг,

(1.27)

(1.28)

где МЭДТА – молярность раствора ЭДТА – трилона Б; МСа, МMg – атомные массы кальция и магния, равные соответственно 40 и 24; Vк, Vп – объем соответственно мерной колбы и мерной пипетки, мл. Концентрацию катионов в фильтрате рассчитывают по формулам: ССа2+ = mCа2+ 1000/VФ, мг/л,

(1.29)

СMg2+ = mMg2+ 1000/VФ, мг/л,

(1.30)

где VФ – объем фильтрата, мл; ССа2+, СMg2+ – концентрация ионов кальция и магния в фильтрате ПЖ, мг/дм3.

56

Лабораторная работа № 1.8 Электростабильность технологических жидкостей на углеводородной основе Цель работы – приготовление обратных эмульсий и оценка их агрегативной устойчивости по показателю электростабильности. Метод позволяет быстро и оперативно оценить стабильность инвертных эмульсионных растворов – ИЭР. Сущность метода заключается в определении электростабильности (Э) – параметра, характеризующего агрегативную устойчивость буровых растворов на углеводородной основе, к фазовому обращению. Показатель электростабильности измеряется величиной напряжения на электродах при протекании между ними определенного по величине тока утечки в момент разрушения эмульсии. Аппаратура и реактивы Весы технические с точностью до 0,01 г; мешалка лабораторная со скоростью вращения не менее 7000 об/мин; установка смесительная типа «Воронеж-4» со скоростью вращения не менее 7000 об/мин; измеритель гидрофобно-эмульсионных растворов ПЭС-1000; прибор Фанн 23D для измерения электростабильности; органоглина; карбонат кальция, CaCO3 (мел); NaCl; KCl; CaCl2; дизельное топливо; эмульгаторы; стеклянные (пластмассовые) стаканы на 350 см3 (2 шт); стаканы на 50 и 100 см3; воронка делительная на 50 и см3, мерный цилиндр на 250 мл; шприцы на 2 и 5 см3.

Методика выполнения работы и обработка результатов Электростабильность – косвенный показатель устойчивости эмульсионного раствора. У каждой эмульсии свой уровень электростабильности, величина которого зачастую не коррелируется с ее термостабильностью, устойчивостью к воздействию дестабилизирующих факторов. Показатель электростабильности эмульсий зависит от ряда факторов: 57

– количества и степени дисперсности водной фазы; прочности межфазных слоев эмульсии; – структурно-реологических свойств раствора; количества и гидрофильно-липофильной мозаичности поверхности тонкодисперсного наполнителя и выбуренной породы. Это очень важный показатель при проводке конкретной скважины на выбранном ИЭР, позволяющий оперативно контролировать процессы дестабилизации в растворе, определять эффективность того или иного способа обработки раствора. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике для замера электростабильности применяют приборы, конструктивные особенности которых существенно отличаются (диаметр и расстояние между электродами, ток утечки и темп набора напряжения и т.д.), поэтому для одних и тех же эмульсий получаются несопоставимые результаты. Приготовление эмульсии 2,0–5,0 мл эмульгатора (по заданию преподавателя, табл. 1.4) наливают в стакан смесителя лабораторной мешалки или смесительной установки «Воронеж-4» и туда же отмеряют 125,0 мл дизельного топлива. Стакан помещают под вал смесителя. После включения смесителя, с частотой вращения не менее 1500 об/мин, перемешивают содержимое стакана (1–2 мин). По истечении этого времени при постоянном перемешивании к полученной дисперсии эмульгатора в дизельном топливе с помощью делительной воронки в течение 20 мин равномерно приливают 125,0 мл насыщенного водного раствора хлорида натрия (плотность при 20ОС – 1,197 г/см3). После этого эмульсию продолжают перемешивать еще в течение 25 мин. Готовую эмульсию оставляют в покое на 15 мин для удаления из нее воздуха, после чего измеряют необходимые параметры. 58

Определение электростабильности инвертной эмульсии На приборе ПЭС-1000 Порядок выполнения работы В стакан вместимостью 100 мл отбирают 50 мл готовой инвертной эмульсии, и через 15 мин выдержки (без перемешивания при комнатной температуре) производят ее испытание. Прибор подключают через адаптер к электрической сети 220 В. Устанавливают щуп (электрод) прибора так, чтобы он не касался дна или стенок стакана, а поверхность электродов должна быть полностью покрыта эмульсией. Нажимают кнопку «ПУСК/СТОП» для начала линейного измерения напряжения. Не перемещайте щуп во время линейного измерения напряжения. По завершении теста по линейному измерению зафиксировать значение электростабильности (в вольтах), показываемое на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД). Выполните еще раз вышеуказанную процедуру с тем же образцом приготовленной эмульсии. Два значения электростабильности не должны отличаться более чем на 5,0 %. Проводят не менее трех замеров величины электростабильности эмульсии. После каждого замера эмульсию необходимо перемешать, а щуп с электродами удалить и очистить от предыдущей эмульсии. За окончательный результат испытаний принимается среднее арифметическое трех параллельных определений. Электростабильность инвертной эмульсии должна быть не менее 100 В. Щуп с электродами после испытания протирают мягкой сухой тканью, зазор между пластинами должен быть сухим и чистым.

59

На приборе Фанн 23 D Прибор Фанн 23D (рис. 1.13 и 1.14) снабжен вмонтированным в корпус измерительным устройством. Для пробы предназначен зонд с электродами (датчик). Питание прибора от четырех 9-вольтовых батареек. Прибор обеспечивает постоянную величину возрастания напряжения до тех пор, пока эмульсия не становится проводимой. Порядок выполнения работы: – испытуемый раствор заливают в стеклянный или пластмассовый сосуд; – устанавливают зонд так, чтобы он не касался дна или стенок сосуда, а поверхность электродов полностью покрывалась образцом; – нажимают кнопку основного питания, чтобы начать испытание и держат ее нажатой до завершения испытания; – фиксируют значение ЭУ, показываемое индикаторным устройством; – выполняют вышеуказанную процедуру с тем же раствором не менее трех раз. Для обеспечения точности образец между замерами перемешивают (но не датчиком);

Рис. 1.13. Прибор модели Фанн 23D для измерения электростабильности (вид спереди) 60

– после завершения повторных испытаний используют мягкую ткань или бумажное полотенце для очистки датчика, проявляя осторожность, чтобы не изменить зазор между электродами; – когда внутренние батареи разрядятся (на что укажет заметное уменьшение выходного напряжения, считываемого со шкалы прибора), их следует заменить. Проводят не менее трех замеров величины электростабильности эмульсии. После каждого замера эмульсию необходимо перемешать, а щуп с электродами удалить и очистить от предыдущей эмульсии. За окончательный результат испытаний принимается среднее арифметическое трех параллельных определений.

Разъем для сетевого адаптера

Пенал для батареек, 9 В Отделяемый зонд для измерения электростабильности

Рис. 1.14. Прибор модели Фанн 23D для измерения электростабильности (вид сзади) 61

Таблица 1.4

Варианты заданий на проведение лабораторной работы № 1.8 Состав ИЭР

Размерность мл мл мл мл мл мл мл мл

Эмульгатор

62

Нефтенол НЗ Нефтенол НЗ-ТАТ Нефтенол НЗб Эмульгатор МР-100 Эмульгатор МР-150 Эмульгатор МР-200 Эмульгатор НХ-1 Эмультал Дисперсионная среда Дизельное топливо Нефть Дисперсная фаза Вода Раствор NaCl Раствор CaCl2 Раствор KCl Наполнитель Мел (СаСО3) Органоглина

830,0

мл мл

1190,0 1250,0 1170,0

мл мл мл мл

2600,0 1380,0

г г

Содержание компонентов, номера составов 1 2,0

2 2,0

3

2,0

4

0,5

5

0,5

6

0,5

7

1,0

8

1,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

125,0

62

9

Лабораторная работа № 1.9 Определение технологических параметров тампонажного раствора Цель работы – приготовление тампонажного раствора и оценка его технологических свойств. Сущность метода заключается в оценке основных показателей качества тампонажного раствора и получаемого на его основе цементного камня. Аппаратура и реактивы Мешалка лабораторная со скоростью вращения не менее 7000 об/мин; установка смесительная со скоростью вращения не менее 7000 об/мин типа «Воронеж-4»; стеклянные (пластмассовые) стаканы 350 см3 (2 шт), стаканы на 50 и 100 см3; воронка делительная на 50 см3; мерный цилиндр на 250 см3; шприцы на 2 и 5 см3; весы технические; конус АзНИИ; линейка или штангенциркуль (ГОСТ 166); ареометр АБР-1; рычажные весы; пикнометр; прибор ВИКА с иглой по ГОСТ 310.3; термостат; прибор ВМ-6 для определения водоотдачи тампонажного раствора; портландцемент марки 500; фильтр-пресс; фильтр-пресс высокого давления и температуры.

Методика выполнения работы и обработка результатов • Испытания тампонажных материалов следует проводить в помещениях с температурой воздуха (20±2) °С и относительной влажностью не менее 50%. • Пробы материала до испытания хранят в сухом помещении при относительной влажности не более 50 %. Перед испытанием каждую пробу просеивают через сито с сеткой № 09 по ГОСТ 6613. • Для приготовления тампонажного раствора и хранения образцов применяют обычно питьевую воду по ГОСТ 2874. • Сосуд для отвешивания и отмеривания воды тарируют в смоченном состоянии. 63

• Перед испытанием тампонажный материал и воду выдерживают до принятия ими температуры помещения. • Тампонажный материал взвешивают с погрешностью ±1 г, воду взвешивают или отмеряют с погрешностью ±1 г или ±1 мл соответственно. • Применяемые средства контроля должны быть изготовлены из материалов, не реагирующих с испытуемым материалом. Кроме того, эти средства должны быть откалиброваны и поверены в сроки, установленные для каждого прибора. • Применение алюминиевых и оцинкованных форм, чаш, лопаток и т.п. не допускается. Приготовление тампонажных растворов Тампонажный материал и воду в требуемом количестве отмеряют и помещают в стакан лопастного смесителя и перемешивают в течение 180±5 с. Допускается при отсутствии смесителя готовить тампонажный раствор вручную. В этом случае материал высыпают в чашу для затворения, предварительно протертую влажной тканью. Затем делают в материале углубление, в которое вливают в один прием воду. Углубление засыпают материалом и через 30 секунд после приливания воды сначала осторожно перемешивают, а затем энергично растирают тесто лопаткой. Определение растекаемости тампонажного раствора Для определения растекаемости используется конус АзНИИ, линейка или штангенциркуль. Конус АзНИИ состоит из измерительного столика, покрытого стеклом и снабженного шкалой (концентрические окружности с минимальным диаметром 70 мм и максимальным не менее 250 мм), и формы-конуса. 64

Порядок определения растекаемости • Форму-конус устанавливают на стекло в центре измерительного столика таким образом, чтобы внутренняя окружность формы совпадала с начальной окружностью шкалы столика. Внутреннюю поверхность конуса и стекло перед испытанием протирают влажной тканью. • Готовят тампонажный раствор. • Заполняют тампонажным раствором форму-конус до верхнего торца. Интервал времени от момента перемешивания раствора до момента начала заполнения им формы-конуса не должен быть более 5 секунд. По окончании заполнения формы-конуса избыток теста удаляют ножом. Затем форму-конус резко поднимают в вертикальном направлении. • Диаметр расплыва раствора измеряют линейкой или штангенциркулем в двух взаимно перпендикулярных направлениях, результат округляют до 1 мм. • За растекаемость принимают среднеарифметическое значение результатов двух измерений, расхождение между которыми не должно быть более 10 мм. Определение плотности тампонажного раствора Для определения плотности тампонажного раствора могут быть использованы: ареометр, рычажные весы (см. лаб. работу № 1.1), пикнометр. Ареометром АБР-1 Ареометр АБР-1 состоит из съемного груза, мерного стакана, поплавка со стержнем. К поплавку крепится мерный стакан с помощью штифтов. На стержне имеются две шкалы, градуированные в г/см3. Прибор включает и ведерко для воды. 65

Порядок выполнения работы • Для определения плотности необходимо 400 см3 тампонажного раствора по 3.9.2.

приготовить

• Стакан прибора заполняют раствором, смывают избыток раствора с прибора водой и опускают его в ведерко с чистой пресной водой. • По шкале ареометра определяют плотность раствора. • С закрепленным на стакане грузом может быть определена плотность раствора менее 1800 кг/м3. Если раствор имеет более высокую плотность, то используют ареометр без груза, а плотность определяют по второй шкале. Периодически ареометр калибруют дистиллированной водой при температуре (20±5) °С. При этом показание прибора должно быть равно 1,0 г/см3. Пикнометром Пикнометр представляет собой металлический или стеклянный сосуд объемом от 2 до 10 мл. Порядок выполнения работы: ● определяют массу сухого чистого пикнометра; ● готовят тампонажный раствор; ● заполняют пикнометр исследуемой пробой раствора до верхнего края, избыток раствора удаляют, вытирают стенки от раствора насухо; ● определяют массу пикнометра, заполненного раствором. Плотность раствора рассчитывается по формуле: m − m1 , V

ρц = 2

(1.31)

где ρц – плотность раствора, кг/м3; m2 – масса пикнометра, заполненного раствором, кг; m1 – масса пустого пикнометра, кг; V – вместимость пикнометра, м3. Результат вычисления округляются до 0,01 кг/м3. 66

Определениие сроков схватывания Для определения сроков схватывания тампонажного раствора используется прибор Вика с иглой по ГОСТ 310.3, кольцо и подставка. Порядок выполнения работы • Перед началом испытаний проверяют, свободно ли опускается стержень прибора Вика, а также нулевое показание прибора, чистоту поверхности и отсутствие искривлений иглы. • Кольцо прибора Вика и подставку к нему предварительно смазывают смазочным маслом и устанавливают кольцо на подставку. • Готовят тампонажный раствор и в один прием заполняют кольцо прибора Вика. • Иглу прибора доводят до соприкосновения с поверхностью тампонажного раствора. В этом положении закрепляют стержень стопором, затем освобождают стопор, давая игле свободно погружаться в тампонажный раствор. • Первое погружение иглы в раствор производят не позднее чем через 1час после затворения, последующие − через каждые 15-20 минут. При определении сроков схватывания при температуре от 22 до 100 °С кольцо Вика, заполненное раствором, накрывают металлической или стеклянной пластинкой и помещают в термостат таким образом, чтобы уровень воды над кольцом был не менее 2 см. Через 1 час кольцо с раствором вынимают из термостата и проводят испытание. Повторные испытания проводят до фиксации начала схватывания через каждые 15 минут, а в дальнейшем – не реже чем через каждые 5 минут. После каждого испытания кольцо снова помещают в термостат. 67

Началом схватывания цементного теста считают время, прошедшее от начала затворения до момента, когда игла не доходит до подставки на 1–2 мм. Концом схватывания тампонажного раствора считают время от начала затворения до момента, когда игла погружается в раствор на глубину от 1 до 3 мм. Определение водоотдачи тампонажного раствора Для определения водоотдачи тампонажного раствора могут быть использованы прибор ВМ-6, фильтр-пресс, фильтр-пресс высокого давления и температуры (см. лаб. работу № 1.6). Определение водоотдачи при комнатной температуре и давлении 0,7 МПа производится на приборе ВМ-6 или фильтрпрессе. На приборе ВМ-6 Прибор ВМ-6 состоит из фильтрационной камеры и шкалыгруза. Фильтрационная камера, в свою очередь, состоит из стакана, решетки, клапана, поддона и запорного винта. Шкала-груз имеет поршень, вхо-дящий в напорный цилиндр. В нижней части напорного цилиндра расположено перепускное отверстие, запираемое игольчатым клапаном. Под отверстие ставится тарелка для слива масла. Порядок выполнения работы • На решетку помещают два кружка фильтровальной бумаги, слегка смоченной водой, и вставляют решетку в фильтрационный стакан так, чтобы выступ на корпусе фильтрационного стакана вошел в паз на решетке. • Сверху на решетку накладывают клапан с резиновой прокладкой и навинчивают поддон с предварительно ослабленным винтом. 68

• После установки поддона клапан винтом прижимают к решетке, и собранный фильтрационный узел устанавливают в подставку. • Готовят 300,0 мл тампонажного раствора и заливают его в фильтрационный стакан так, чтобы уровень раствора не доходил до верхнего края горловины на 4–5 см. • На горловину стакана навинчивают напорный цилиндр и заполняют его машинным маслом. Уровень масла не должен доходить до края верхней втулки цилиндра на 5–10 см. • Вставляют в цилиндр поршень шкалы, отвинчивают игольчатый клапан, устанавливают риску, нанесенную на втулке цилиндра против нулевого деления шкалы. • Открывают клапан прибора, одновременно включая секундомер. На фильтр-прессе Фильтр-пресс состоит из рамы и цилиндра (см. лаб. раб. № 1.6). Цилиндр изготовлен из материалов, на которые не действуют щелочные растворы, а его конструкция позволяет создавать в нем давление и стравливать его через верхнюю часть. Низ цилиндра закрыт крышкой со сливной трубкой и прокладками для обеспечения герметизации. Фильтрующей средой является сито из нержавеющей стали плотностью 325 меш (12,8 отверстий на линейный мм) в сочетании с ситом 60 меш (2,37 отверстий на линейный мм). Порядок выполнения работы • Готовят 300,0 мл тампонажного раствора и заливают раствор в цилиндр так, чтобы до верха оставалось 2 см свободного 69

пространства от уплотнения, закрывают цилиндр крышкой и закрепляют в раме. • Под сливной трубкой устанавливают сухой градуированный цилиндр для приема фильтрата. • Закрывают выпускной клапан и создают давление газа 0,7 МПа в течение 5 секунд. • Открывают нижний шток клапана и одновременно включают секундомер. • Снимают показания объема фильтрата спустя 15 с, 30 с, 1, 2 и 5 минут, а затем с 5-минутными перерывами в течение 30 минут. • Если обезвоживание происходит до истечения 30 минут, регистрируют время, необходимое для полного обезвоживания. • По истечении 30 минут испытаний снимают давление и открывают предохранительный клапан. Водоотдачу тампонажного раствора вычисляют по формуле:

Q30= Qt ⋅

5,477 , t

(1.32)

где Q30 – количество фильтрата за 30 мин, см3; Qt – количество фильтрата в момент t, см3; t – время в минутах, когда опыт закончен.

70

Раздел 1.2. ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕАГЕНТОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА СКВАЖИН

Среди реагентов, применяемых в процессах нефтегазодобыче, водорастворимые полимеры (ВРП) – природные и синтетические высокомолекулярные соединения (ВМС) – занимают ведущее место. При этом они могут выполнять роль понизителей фильтрации, регуляторов реологических характеристик, вязкости, ингибиторов набухания глин, флокулянтов и др. Наибольшее распространение, как отмечалось выше, получили полимеры следующих типов: полисахариды (КМЦ, ОЭЦ, МЦ, биополимеры, крахмал), производные лигнина (окзил – окисленный лигнин, лигносульфонаты – ЛС и гуматы – Na или К соли гуминовых кислот)), акриловые и метакриловые полимеры (ПАА, ГИПАН, метас), полиоксы (полиэтиленоксиды и др.). Эти ВМС, со средней молекулярной массой от нескольких сотен тысяч единиц (производные лигнина) до несколько миллионов (полиоксы и полиакрилаты), растворяются в воде с предварительным набуханием. Их свойства определяются как строением элементарных звеньев, так и макромолекулы (линейным, разветвленным, сетчатым). Отличаясь по строению и свойствам, они имеют ряд общих свойств. В лабораторном практикуме студенты должны научиться проводить синтез некоторых полимеров. На поведение ВРП в растворах влияет: – межмолекулярное взаимодействие (молекулярно-поляризационное или с образованием водородных связей с энергией до 30кДж/моль); – гибкость цепей, обусловленная вращением звеньев; вращение цепей происходит при неизменных валентных углах молеку71

лы и приводит к образованию различных структурных форм, непрерывно переходящих одна в другую, при этом макромолекулы могут либо свертываться в глобулы и клубки, либо расправляться. Гибкость полимерной цепи увеличивается с ростом температуры и с уменьшением числа полярных групп, а следовательно внутримолекулярного взаимодействия функциональных групп. Следует отметить, что структурная форма макромолекулы в растворе зависит от наличия и природы функциональных групп, воздействия соседних макромолекул полимера и молекул растворителя и от того, находится ли раствор в состоянии покоя или движения. ВРП содержит в своей структуре функциональные группы: неионогенные (-ОН, =СО, -СОН, -С-О-С) и ионогенные (анионные: -СООН, -SO2OH, -COONa,; катионные: NH2, =NH; и катионно-анионные – у полиамфолитов). Для растворения полимеров в воде необходимо наличие в цепи макромолекулы гидрофильных функциональных групп: гидроксильных, карбоксильных, амидных, алкоксильных групп. В водных растворах ионогенные полимеры диссоциируют и участвуют в обменных реакциях. При диссоциации анионных полиэлектролитов образуются полианионы, катионных – поликатионы и соответственно противоионы – катионы и анионы. Способность макромолекул к диссоциации обусловливает их участие в обменных реакциях. В результате взаимодействия полианиона и поликатиона образуются «солевые» связи, и в растворах появляются полиэлектролитные комплексы (ПЭК). Если в реакциях обмена участвуют поливалентные катионы, то макроионы могут связываться между собой, образуя нерастворимые пространственные полимеры или нерастворимые соли. В кислой среде карбоксильные группы практически не диссо72

циируют. Однако в нейтральной или щелочной средах ионизация карбоксилов сильно возрастает. Соли щелочных металлов и поликислот, являясь сильными полиэлектролитами, диссоциируют практически нацело. При определенном значении рН происходит ионизация амидной группы с захватом протона и образованием группы амидиния. ─ С(О) ─NH2 + Н+ → ─ С(О) ─ N+H3 Степень диссоциации полиамфолита (например, гидролизованного ПАА, ГИПАН) зависит от соотношения кислотных и основных групп и рН среды. При определенном значении рН число положительных и отрицательных зарядов в цепи полиамфолита становится равным, и суммарный заряд в этой изоэлектрической точке равен нулю. При низких значениях рН в цепи преобладают положительные заряды, по мере повышения рН увеличивается количество анионных групп. При рН выше изоэлектрической точки полиамфолит приобретает свойства поликислоты с преобладанием отрицательно заряженных звеньев в цепи полимера. При ионизации полиэлектролитов в результате электростатического отталкивания происходит развертывание клубков и увеличение их линейных размеров. В минерализованной воде полиэлектролитное набухание подавляется противоионами, макромолекулы сворачиваются в клубки, при этом резко уменьшается вязкость растворов. Растворимость неионогенных ВРП (ПОЭ, ОЭЦ и др.) в воде зависит от рН среды: с увеличением рН от 4 до 10 растворимость полимера возрастает. Относительной чертой растворов неионогенных полимеров является их устойчивость в минерализованных средах, при этом вязкость таких растворов не меняется. 73

Функциональные группы у водорастворимых полимеров (ВРП):  ионногенные, то есть диссоциируют на ионы;  неионогенные, то есть образуют водородные связи с протонами воды. Это, в первую очередь, обеспечивает растворимость полимеров в воде. Однако, ВРП могут растворяться в других растворителях, например, спиртах, кислотах, кетонах. ВРП могут быть: – природные − крахмал (гуар), агар-агар (растительного происхождения) и желатин (животного происхождения), которые растворяются в воде без химической модификации; – природные, химически модифицированные (например, целлюлоза в воде не растворяется, но КМЦ, ОЭЦ и другие производные в воде растворимы); – синтетические. Регулярность структуры можно получить при производстве синтетических ВРП (элементарные звенья строго повторяются). Природные и химически модифицированные реже обладают регулярной структурой. Но если исходный природный нерастворимый полимер имеет регулярную структуру (с повторяющимися звеньями), то после химической модификации можно получить ВРП с регулярной структурой. Все расчеты для определения необходимого количества полимеров, вступающих в реакцию с другими реагентами проводят, исходя из массы элементарного звена полимера (принято называть массой осново-моля). Знание физико-химических свойств ВРП позволит правильно подобрать тип и концентрацию полимеров при химической обработке для обеспечения необходимых свойств и стабилизации промывочной жидкости как дисперсной системы. 74

Лабораторная работа № 1.10 Получение эфиров целлюлозы Цель работы – синтезировать карбоксиметилцеллюлозу – сложный эфир и карбоксиметилоксицеллюлозу – смешанный эфир целлюлозы; подготовить полученные полимеры к изучению их физико-химических свойств. Сущность метода заключается в получении химических реагентов на основе целлюлозы. Синтезы ведутся на основе целлюлозы и натриевой соли монохлоруксусной кислоты при определенных массовых соотношениях и температурных условиях. Аппаратура и реактивы Технические весы, аналитические весы, лабораторная мешалка со скоростью вращения не менее 7000 об/мин; водяная баня; электроплитка или колбонагреватель; четырехгорлая колба на 500 мл; термометр; обратный шестишариковый холодильник; воронка стеклянная; воронка Брюхнера; водоструйный или вакуумный насос; сушильный шкаф; мелко нарезанная листовая целлюлоза; натриевая соль монохлоруксусной кислоты (Na – МХУК); NaOH; C2H5OH; ацетон; хлорекс (дихлордиэтиловый эфир); мерсеризованная целлюлоза.

Методика выполнения работы и обработка результатов Суспензионный способ получения смешанного эфира целлюлозы Реакцию проводят в четырехгорлой колбе, снабженной мешалкой, обратным холодильником, термометром. В колбу загружают предварительно мерсеризованную целлюлозу (состав: 32% – целлюлоза, 18% – NaOH , 50% – вода) в количестве 0,018 моля, 0,0046 моля Na-МХУК и приливают через воронку 96%-ный этанол – 46 мл. Подают холодную воду в обратный холодильник, предназначенный для конденсации паров этанола. Включают лабораторную мешалку и начинают нагревать реакционную массу до 70 °С. Через 40 мин в реакционную массу 75

вводят хлорекс –0,015 моля, после чего реакционную массу при перемешивании выдерживают при 70 °С в течение двух часов. Затем охлаждают до комнатной температуры и промывают полимер на воронке Бюхнера ацетоном для удаления непрореагировавшего хлорекса и продуктов его превращения. Полимер сушат при 50–60 °С в течение 2–3 ч в сушильном шкафу. Следует написать уравнения получения основных и побочных продуктов; рассчитать количество исходных реагентов, составить материальный баланс процесса. Моноаппаратный суспензионный способ получения КМЦ или смешанного эфира В четырехгорлую колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром, загружают листовую мелко нарезанную целлюлозу – 0,04 моля. Добавляют: водно-спиртовой раствор щелочи (предварительно растворяют 0,12 моля NaОН в 20 мл 50%-ного водного раствора спирта). После перемешивания в течение 5 мин загружают расчетное количество Nа-МХУК – 0,0575 моля и 100 мл 96 %-ного этанола. После этого включают мешалку и нагревают реакционную массу до 70 °С; время реакция 2 часа. Затем охлаждают реакционную массу до комнатной температуры, переносят ее на воронку Бюхнера и отсасывают фильтрат. Полимер промывают спиртом иди водно-ацетоновой смесью и сушат при температуре 50–70 °С в течение 1,5–2 ч в сушильном шкафу. Аналогично получают смешанный эфир целлюлозы, последовательно внося в реакционную колбу Nа – МХУК и хлорекс в заданных количествах. Следует рассчитать количество реагентов, необходимых для выполнения работы. Составить материальный баланс синтеза полимера, используя программу расчета на ПК; охарактеризовать по составу технический продукт. 76

Лабораторная работа № 1.11 Определение степени замещения (степени этерификации) карбоксиметилцеллюлозы и содержания основного вещества в технической КМЦ Цель работы – определение основных характеристик химических реагентов на основе целлюлозы – КМЦ и ПАЦ: степени замещения (СЗ), степени этерификации (γ), содержание основного вещества в технической Na-КМЦ (по заданию преподавателя). Сущность метода заключается в определении степени замещения (СЗ), или степени этерификации (γ), то есть числа, показывающего, сколько натрий-карбоксиметильных групп (–СН2СООNа) содержится в 100 элементарных звеньях макромолекул карбоксиметилцеллюлозы. Аппаратура и реактивы Аналитические весы, рН-метр лабораторный со стеклянным и хлорсеребряным электродами; аналитические весы с точностью до 0,0001 г; магнитная мешалка с электрообогревом; шкаф сушильный; вакуумный или водоструйный насос; воронка Бюхнера; колба Бунзена; бумажные фильтры; стеклянные стаканчики вместимостью 100 мл (3 шт); стеклянные палочки (2 шт); пипетки (на 10 и 20 мл); колбы конические на 250 и 500 мл; бюксы на 20 мл (2 шт); техническая или очищенная Na-КМЦ; дистиллированная вода; этиловый спирт – ректификат; 0,1 н.CuSO4; 5%-ный NH4OH; растворы крахмала и BaCl2; 6,0 нCH3COOH; сухой иодид калия; 0,1 н Na2S2O3; H2SO4; раствор аммиака.

Методика выполнения работы и обработка результатов Наибольшее распространение получили следующие методы определения степени замещения КМЦ: основанный на осаждении медной соли карбоксиметилцеллюлозы (Cu-КМЦ) и на сжигании навески Na-КМЦ.

77

Метод определения СЗ, основанный на осаждении медной соли карбоксиметилцеллюлозы (полианионной целлюлозы-ПАЦ) Определение выполняют в две стадии. На первой стадии получают медную соль полианионной целлюлозы. Для этого берут навеску (с точностью до 0,0001 г) 0,2–0,4 г Na-ПАЦ, вносят в стеклянный стаканчик, смачивают в 10 мл этилового спирта и растворяют в 50 мл дистиллированной воды. Для ускорения растворения допускается нагревание раствора до 80оС в течение 30 минут при перемешивании (магнитная мешалка с электрообогревом). В полученный раствор вводят электроды рН-метра (предварительно по буферному раствору проверяют показания прибора) и при тщательном перемешивании стеклянной палочкой добавляют небольшими порциями серную кислоту для получения рН = 2,2– 2,4. Из бюретки или пипетки (при перемешивании) приливают 20 мл 0,1н раствора сульфата меди, а затем 5%-ный раствор аммиака до рН = 4,0–4,1. Реакция идет по следующей схеме:

На осаждение Cu-ПАЦ большое влияние оказывает значение рН раствора. Так, при добавлении CuSO4 к нейтральному раство78

ру одновременно с Cu-ПАЦ осаждаются основные соли или даже гидроксид меди, что приводит к завышенным значениям степени замещения. Содержимое стаканчика с Cu-ПАЦ нагревают до 50–60 оС и после отстаивания раствор декантируют через двойной бумажный фильтр на воронке Бюхнера. Осадок Cu-ПАЦ в стаканчике растирают палочкой и три раза промывают декантацией 30%-ным водным этанолом (по 50мл), переносят на фильтр и промывают 20 мл этанола. Отсутствие ионов SO4= в промывной жидкости проверяют реакцией с хлористым барием. Для ускорения промывки склянки Бунзена присоединяют к вакуумному насосу. Осадок осторожно снимают с фильтра стеклянной палочкой во взвешенный бюкс и сушат один час при 105–150 оС до постоянной массы. Фильтрат и промывную жидкость сохраняют для определения основного вещества. На второй стадии определяют содержание меди в Cu-ПАЦ и рассчитывают степень замещения ПАЦ. Соль Cu-ПАЦ (голубовато-бирюзового цвета), высушенную до постоянной массы, переносят в коническую колбу (на 250 мл), добавляют 2 мл этанола, 50 мл дистиллированной воды и 5 мл 5%-ного раствора аммиака. Для получения прозрачного раствора вводят еще несколько капель раствора аммиака. Полученный аммиакат меди разрушают 6,0 н уксусной кислотой до изменения окраски раствора из синей в светло-зеленую, затем добавляют еще 3 мл 6,0 н CH3COOH и 7,5 г йодида калия и помещают колбу в темное место. После выдержки в течение 10 минут выделившийся йод оттитровывают 0,1н раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора: 4) (цел-СН2СОО−)2Cu+6NH4OH→[Cu(NH3)4](OH)2 + 79

+ 2цел-СH2COONH4+ + H2O 5) [Cu(NH3)4](OH)2 + 4CH3COOH → Cu2+ + 4CH3COO− + + 4NH4+ + 2OH− 6) [Cu(NH3)4]2+ + 4H+ → Cu2+ + 4NH4+ 7) Cu2+ + 4CH3COO− + 4NH4+ + 2HO− + 2К++ 2I− →Cuo + I2 + + 4CH3COO− + 4NH4+ + 2OH− + 2 К+ 8) Cu2+ + 2I− → Cuo + I2 9) I2 + 2Na2S2O3 → Na2S4O6 + 2NaI Содержание меди (Х1) в массовых процентах вычисляют по формуле: Х1 = (V ⋅ 0,006357 / m ) ⋅ 100,

(1.33)

где V – объем 0,1н раствора Na2S2O3, пошедший на титрование, мл; m – масса медной соли Cu-PAC, г; 0,006357 – количество меди, соответствующее 1 мл 0,1н раствора Na2S2O3, г. Степень замещения (СЗ) вычисляют по формуле: СЗ = 162 ⋅ Х1 / [31,8 − ( 88,8 ⋅ Х1 / 100 )],

(1.34)

где 162 – молекулярная масса элементарного звена макромолекулы целлюлозы, г-моль; 88,8 – увеличение молекулярной массы этого звена при введении в него одной группы (-СН2-СОО)Сu1/2, г-моль; Х1 – массовая доля меди в Cu-ПАЦ, %; 31,77 – граммэквивалент меди в элементарном звене Cu-ПАЦ при наличии в звене одной карбоксильной группы, г-моль. Определение содержания основного вещества в технической КМЦ

Для определения содержания основного вещества в анализируемой Na – КМЦ используют фильтрат и промывную жидкость (см. первую стадию анализа), содержащие избыточное количество соли CuSO4 не вступившей в реакцию образования Си – КМЦ. 80

Фильтрат и промывную жидкость переносят в колбу емкостью 500 мл, добавляют 5 мл 6 н СН3СООН, 5 г твердого КI (или 10 г 50%-ного водного раствора KJ) и после 10-минутного выдерживания в темноте оттитровывают 0,1 н Na2S2O3, выделившийся йод (индикатор – крахмал). На основании анализа следует рассчитать степень этерификации КМЦ и (по заданию преподавателя) содержание основного вещества в техническом продукте. Сравнить полученные результаты с физико-химическими показателями полимера, приведенными в нормативном документе на продукт ТУ, ОСТ. Массовую долю Xj основного вещества (Na-КМЦ) в процентах вычисляет по формуле:

= Xi

2

V1N1 − V2 N 2 162 + 0,8Y ⋅ ⋅ 100 Y 1000 ⋅100, n − (1 − B /100)

(1.35)

где V1, V2, N1, N2 – объемы (мл) и нормальности растворов CuSO4 и Na2S2O3; 162 – молекулярная масса элементарного звена целлюлозы, г-моль; 0,8 – величина, полученная в результате увеличения молекулярной массы элементарного звена целлюлозы при введении в него группы –СН2-СООNа; В – массовая доля воды в Na-КМЦ (%), обычно составляет 8–10% для воздушно-сухой КМЦ; 2 – коэффициент пересчета, введенный из-за того, что эквивалент меди в данном определении при взаимодействии с иодом в два раза больше, чем при образовании Сu − КМЦ. γ – степень этерификации КМЦ.

81

Лабораторная работа № 1.12 Определение степени полимеризации карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) Цель работы – определить степень полимеризации КМЦ с помощью метода вискозиметрии. Сущность метода заключается в определении степени полимеризации КМЦ, показывающей среднее число элементарных звеньев в макромолекуле натрийкарбоксиметилцеллюлозы, и измерении вязкости 0,2%-ного раствора полимера. Аппаратура и реактивы Вискозиметр капиллярный; секундомер; магнитная мешалка; колбы конические на 250 мл (2 шт); ультратермостат; стеклянные стаканы 100– 250 см3 (2 шт); капроновая фильтрующая ткань; стеклянная воронка; сушильный шкаф; аппарат Сокслета; центрифуга; технические весы; аналитические весы; термостат; раствор 0,1 н щелочи(NaOH); КМЦ-техническая; этиловый спирт; уксусная кислота; фенолфталеин – спиртовой раствор; нитрат серебра.

Методика выполнения работы и обработки результатов Очистка технической КМЦ от примесей производится переосаждением полимера этиловым спиртом из водных растворов. Для этого 5–10 г технической КМЦ растворяют в 50 мл воды. Для нейтрализации щелочи и разрушения, малорастворимых в спирте карбонатов натрия добавляют при помешивании 10 мл 1,0 н раствора уксусной кислоты. Затем избыток кислоты нейтрализуют по фенолфталеину 1,5 н раствором едкого натра. При наличии в растворе нерастворенных частиц их необходимо отфильтровать через двойной слой капроновой ткани. Далее к раствору при постоянном перемешивании добавляют 200,0–300,0 мл 94 %-го раствора этилового спирта до полного осаждения Nа-КМЦ (проба на полноту осаждения). Образовав82

шийся осадок отсасывают на воронке Бюхнера и промывают 80%-ным раствором этилового спирта до полного удаления ОН− и Cl– – ионов (проба на фенолфталеин и нитрат серебра). Затем осадок дважды промывают по 50 мл 94%-ным раствором этилового спирта и сушат при 60 °С в течение 2-х часов. Допускается осадок Nа – КМЦ отмывать от примесей в аппарате Сокслета. Массовая доля воды в переосажденном образце КМЦ составляет 8–10%. Определение вязкости разбавленных растворов КМЦ. навеску очищенной Nа – КМЦ (0,025–0,05 г) помещают в коническую колбу емкостью 50 мл, заливают расчетным количеством раствора едкого натра (1,5 н концентрации), чтобы получить 0,2%-ный раствор полимера, и взбалтывают на «качалке» или перемешивают с помощью магнитной мешалки до полного растворения. При наличии в растворе нерастворившихся частиц их отделяют центрифугированием или фильтрованием. Массу нерастворившихся частиц вычитают из взятой навески. Приготовленным раствором заполняют вискозиметр ВПЖ-2 (см. рис. 1.15), выдерживают в термостате 10-15 мин и определяют время истечения при 20±0,1 °С и 30 ± 0,1 °С. Аналогично определяют время истечения растворителя – 1,5 н раствора едкого натра. Проводят не менее трех измерений, а случае плохой сходимости результатов – пять. Следует определить относительную вязкость раствора, рассчитать характеристическую вязкость и степень полимеризации. Относительную вязкость (ηотн) вычисляют по формуле: ηотн = τ1/τ2,

(1.36)

где τ1 – время истечения раствора, с; τ2 – время истечения растворителя, с. 83

Вычисляют характеристическую вязкость: (1.37) где С – концентрация КМЦ за вычетом нерастворившегося остатка, г/л.

Рис. 1.15. Вискозиметр ВПЖ-2: 1 – резервуар; 2, 3, 6 – трубки; 4 – измерительный шарик; 5 – капилляр; А, Б – метки

Степень полимеризации рассчитывается по формуле: (СП) = [ η ]/К, где К = 6,6·10–4.

84

(1.38)

Лабораторная работа № 1.13 Изучение фазового равновесия в системах эфиры целлюлозы – CaCl2 Цель работы – определение растворимости различных эфиров целлюлозы в воде и минерализованной катионами кальция воде c помощью метода турбидиметрии. Сущность метода заключается в исследовании изменение растворимости в воде эфиров целлюлозы в зависимости от их строения и концентрации катионов кальция в воде. Аппаратура и реактивы Прибор для определения оптической плотности КФК-2; стаканчики на 50 мл (2 шт); пипетки на 5 мл (3 шт); микробюретка на 2 мл (1 шт); стеклянная палочка; минерализованная вода – раствор хлорида натрия (25%ный); 1%-ные растворы полимеров в минерализованной воде: КМЦ-660/85 – ([Cк] = 4,35·10–2 моль/л), КМЦ-М – ([Скм] – 4,35·10 моль/л), модифицированной олигомерным эфиром лапролом 503 – ( [Cл] = 0,99·10–4 моль/л), ОЭЦ- оксиэтилцеллюлозы ([Cоц] = 4,22·10–3 моль/л), КМЦ-660/70 – ([C'к] = 4,4·10–2 моль/л), КМОЭЦ- ([Cкоц] = 4,43·10–2 моль/л); насыщенный водный раствор CaCl2.

Методика выполнения работы и обработка результатов На приборе КФК-2 определяется оптическая плотность (Д) растворов с различной концентрацией полимера (1,0, 0,5, 0,25, 0,125) при постепенном добавлении насыщенного раствора хлорида кальция. Растворы полимеров заданной концентрации получают разбавлением водой исходных растворов. В каждом варианте исследуют два полимера (варианты указаны ниже). В кювету помещают 10 см3 раствора полимера (в кювету сравнения наливают раствор хлорида натрия), и при длине волны 85

λ = 540 нм (синий фильтр) определяют его оптическую плотность. Затем после каждого добавления из микробюретки по 0,1 см3 раствора CaCl2 и перемешивания стеклянной палочкой измеряют оптическую плотность системы. Титрование хлоридом кальция завершают при его концентрации в системе ~ 2 моль/л, что соответствует ~1,0 см3 насыщенного раствора CaCl2. Далее в стаканчике готовят раствор полимера с концентрацией 0,5% (2,175⋅10−2 моль/л), для чего пипеткой отбирают 5,0 см3 исходного раствора и добавляют 5,0 см3 раствора хлорида натрия. Полученный раствор титруют хлоридом кальция, как описано выше. После этого готовят растворы 0,25%-ной (5,0 см3 исходного раствора полимера + 15,0 см3 раствора соли) и 0,125%-ный (5,0 см3 раствора+35,0 см3 раствора соли) концентрации и, поместив 10,0 см3 раствора в кювету, титруют хлоридом кальция. Аналогично проводится исследование второго полимера в каждом варианте. Результаты измерений по каждому полимеру заносят в таблицу 1.5. Таблица 1.5 Оптическая плотность растворов Количество CaCl2 V насыщ., см3

Оптическая плотность (Д) растворов при концентрации КМЦ-600/85, моль/л моль/л

4,35⋅10−2 2,175⋅10−2 1,087⋅10−2 0,504⋅10−2 (1%-ный) (0,5%-ный) (0,25%-ный) (0,125%-ный)

86

Следует по данным таблицы построить графики Д = f (СCaCl2) для каждого полимера при четырех концентрациях (рис. 1.16).

Рис.1.16. Концентрации растворов полимеров А и В: 1,1'– 1%-ные; 2,2' – 0,5%-ные; 3,3' – 0,25%-ные; 4,4' – 0,125%-ные

По построенным графикам определить концентрацию CaCl2, при которой наблюдается резкое изменение оптической плотности (в точке перелома кривой), и построить кривые фазового равновесия в координатах [С CaCl2] – [Cпол] (рис. 1.17). C

СaCl2

,моль/л

2,0 1,5

Δ

Δ Δ

1,0

Δ

0,5

0

1,0

1,5

Δ

2,0

3,0

Δ

4,0

Cn*102 , моль/л

Рис. 1.17. Кривые фазового равновесия 87

Указать гетерогенную и гомогенную области для систем полимер – CaCl2 и объяснить разное соотношение полимеров к катионам кальция. Варианты работы (в каждом варианте исследуются два полимера): I – КМЦ и КМЦ-М, II – КМЦ и ОЭЦ, III – КМЦ и КМОЭЦ, IV – КМЦ-М и ОЭЦ, V – КМЦ-600/85 и КМЦ – 600/70.

88

Лабораторная работа № 1.14 Определение концентрации полиакриламида (ПАА) в водной среде Цель работы – определить концентрацию полимера ПАА в фильтрате бурового раствора двумя методами. Сущность первого метода заключается в осаждении молекул полиакриламида хлоридом олова, последующим цетрифугированием с получением осадка. Второй метод позволяет определить концентрацию частично гидролизованного полиакриламида в фильтратах бурового раствора, и заключается в измерении скорости образования аммиака при нагревании фильтрата в присутствии раствора гидроксида натрия. Аппаратура и реактивы Лабораторная мешалка; мерный цилиндр, 25 мл; портативная центрифуга с пробирками, 15 мл; пипетки 1,2,5 мл; мерный стакан, 100 мл; пипетка с грушей; стеклянная палочка; фильтровальная бумага; трубка Дрэгера для аммиака; кисточка; мерная колба, 50 мл; моечная бутылка, 500 мл; шприц, 20 и 60 мл; термометр, метал, 10-260 ˚С; секундомер; плитка с термостатом; колба без носика, 250 мл; мензурка, нержавеющая сталь, мл ; стеклянная воронка; малошумный насос; трубки, латекс, пластик, стекло; ПАА или буровой раствор (фильтрат) содержащий ПАА; раствор гидроокиси натрия, 0,2 н; соляная кислота, 0,2 н; раствор индикатора крезола красного; хлорид олова, 10%-ый раствор; раствор гидрооксида натрия, 5,0 н.

Методика выполнения работы и обработка результатов Определение концентрации ПАА в фильтрате бурового раствора: – наливают 10 мл фильтрата в стеклянный стакан на 100 мл, добавляют 4 капли раствора индикатора крезола красного. Раствор должен окраситься в лиловый цвет; – тщательно титруют 0,2 н соляной кислотой по каплям, слег89

ка вращая при этом стакан. Конечную точку титрования определяют по изменению окраски раствора с красной на желтую. Если конечная точка титрования пропущена, проводят обратное титрование гидроксидом натрия; – с помощью пипетки на 5 мл добавляют в качестве диспергирующего реагента 2,0 мл хлорида олова и дополнительно по 0,5 мл на каждые предполагаемые 0,5 фунтов/баррель (около 1,3 кг/м3) полимера в буровом растворе. Быстро вращают стакан по часовой стрелке в течение 3–5 минут; – переливают жидкость с осадком из стакана в пробирку центрифуги. Стеклянную палочку используют для переливания и для снятия остаточного осадка со стенок стакана. Противоположную пробирку центрифуги заполняют водой или другой жидкостью в качестве противовеса; – проводят центрифугирование в течение 10 минут. После центрифугирования извлекают пробирку, содержащую осадок и определяют его количество в мл. Концентрация ПАА в кг/м3 = (осадок (мл) • 8,34) • 42 • 2,85, где 8,34 и 42 – коэффициенты пересчета; 2,85 – плотность осадка. Определение концентрации ПАА в воде: – в мензурку объемом 1200,0 мл, с расположенной внутри реакционной колбой, наливают примерно 800,0 мл воды и помещают ее на плитку. Нагревают воду до 88−90 °С; – оба конца трубки Дрэгера соединяют с патрубком (числа маркировки шкалы на трубке Дрэгера должны увеличиваться снизу вверх). Подсоединяют выходной патрубок из колбы 250 см3; – заполняют шприц 50,0 мл 20 %-ным раствором гидроксида натрия (40 мл) и впрыскивают раствор в стеклянную реакцион90

ную колбу. Добавляют 10,0 мл жидкости в колбу, закрывают и закрепляют колбу на держателе. Запускают воздушный насос и включают секундомер; – записывают время, которое потребовалось на то, чтобы зона синего цвета достигла отметки 70 на трубке Дрэгера; – результат определяют в соответствии с калибровочной таблицей; – после проведения опыта посуду промывают и тщательно высушивают. Калибровка Процедура калибровки осуществляется с помощью водного раствора, содержащего полиакриламида 0,5 фунтов на баррель (около 1,3 кг/м3) . Воздушный поток следует отрегулировать таким образом, чтобы время, необходимое для достижения зоной синего цвета отметки 70, составляло 24–25 минут. Для этого скорость потока должна составлять примерно 100 мл/мин. Для достижения большей точности рекомендуется использовать трубки из одной партии.

91

Литература 1. Овчинников В.П., Аксенова Н.А. Буровые промывочные растворы: учебное пособие для вузов. – Тюмень: Изд-во «Экспресс», 2008. – 309 с. 2. Овчинников В.П., Аксенова Н.А., Овчинников П.В. Физико-химические процессы твердения, работа в скважине и коррозия цементного камня. Учебное пособие. – Тюмень: Изд-во «Экспресс», 2008. – 369 с. 3. Чегодаев Ф.А, Шарафутдинов З.З., Шарафутдинова Р.З. Буровые и тампонажные растворы – Спб.: ООО «НПО «Профессионал», 2005. – 424 с. 4. Рязанов Я.А. Энциклопедия по буровым растворам. – М.: Летопись, 2006. – 249 с. 5. Калинин А.Г., Левицкий А.З., Мессер А.Г., Соловьев Н.В. Практическое руководство по технологии бурения скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые: Справочное пособие /Под ред. А.Г. Калинина. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001 – 450 с. 6. Резниченко И.Н. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов. – М.: Недра, 1982. – 310 с. 7. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси. – М: Недра, 1987. – 340 с. 8. Токунов В.И., Хейфец И.Б. Гидрофобно-эмульсионные буровые растворы. – М.: Недра, 1983. – 167 с. 9. Лыков О.П., Низова С.А., Толстых Л.И. Химические реагенты нефтегазовой отрасли. Свойства. Применение. Экология: Учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2007. – 177 с. 10. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник. − М.: Академия, 2003. — 352 с. 11. Гилязов Р.М. Бурение нефтяных скважин с боковыми стволами. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002 – 255 с. 12. Гильмутдинов Ш.К. Исследование и улучшение противоизносных свойств буровых растворов: Учебно-методическое пособие. – Альметьевск: АГНИ, 2004. – 28 с. 13. Гильмутдинов Ш.К., Соловьева Н.В. Лабораторные и практические занятия по технологии бурения нефтяных и газовых скважин: Учебное пособие. – Альметьевск: Альметьевский нефтяной институт, 2003. – 84 с. 14. Крылов В.И., Крецул В.В. Выбор жидкостей для заканчивания и капитального ремонта скважин: учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 196 с. 15. Крылов В.И., Крецул В.В. Методические указания по выбору промывочной жидкости для вскрытия продуктивных пластов: учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2002. – 44 с. 16. Крылов В.И.., Кривобородов Ю.Р., Клюсов В.А. Классификация и методы испытаний тампонажных цементов: учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2002. – 34 с. 17. Шуть К.Ф. Технические условия и методы испытания тампонажных цементов: учебное пособие. – М: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 152 с. 18. Келланд М.А. Промысловая химия в нефтегазовой отрасли / Под ред. Л.А. Магадовой. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2015. – 606 с.

92

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

НЕФТЕПРОМЫСЛОВАЯ ХИМИЯ Часть I ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА СКВАЖИН

Редактор Л. А. Суаридзе Компьютерная верстка: И. В. Севалкина

Подписано в печать 10.09.2015. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. п. л. 5,75. Тираж 100 экз. Заказ № 326

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 тел./факс: (499) 507 82 12